解读有关模块化仪器的五个误解

        随着模块化测试设备的日益普及，围绕模块化与传统台式仪器的优劣对比产生了许多误解。这些误解虽然听起来很有道理，但这些结论往往真假并存，让人虚实难辨。为了通过熟悉的语言和容易理解的概念来理解复杂事务，人们口口相传便形成了所谓的神话，就如近代科学昌明之前用于解释星座组成的希腊神话。为应用选择最适合的测试与测量仪器同样复杂，因此出现误解并不足为奇。
是德科技拥有超过75年的台式仪器开发经验和超过30年的模块化仪器开发经验，能够为用户提供最尖端的产品。是德科技深知在两类产品之间做出选择的难度，但是，去伪存真并消除误解，是德科技可以帮助客户针对具体应用选择理想的产品。下面将讨论部分普遍认同的误解并阐明其真相。
误解1：模块化仪器价格必然低于台式产品
该误解产生的原因在于台式仪器普遍价格昂贵。显然，功能完备的独立仪器包含众多按钮并配有前面板显示屏，非常适合某些研发环境，但其并非大多数自动测试环境的最佳选择。模块化仪器通常将贵重元件隐藏在内部，因此给人以价格低廉的印象。例如，当代PXI背板支持18个插槽和4GB/s的数据传输速率，但不可避免地增加了连接器、开关和背板材料的成本。充分装载宽带连接仪器的机箱能够发挥高成本带来的性能提升，但对于其他应用来说这些开支可能并非必要。因此，实现单个仪器的PXI系统，其成本比相同的“台式”仪器要高出10%～40%。
这个误解包含哪些事实？作为独立产品时,台式仪器的价格可能相对较低，而在单机箱内集成多台仪器的模块化解决方案往往可以摊薄成本。通常，单台机箱整合2～4台仪器可以获得与台式仪器相当的价格。
此外，仪器制造成本并不等同于客户的购买价格。部分厂商希望借助模块化仪器进入测试与测量市场。为了提高市场份额，一些厂商不惜将产品价格降低到市场价格以下，以利润换取市场。当然，此类策略不可能长期持续。
误解2：模块化仪器天生能够提供更高的吞吐量
该误解可能源于模块化系统通常配置的快速背板。实际上，在选择台式或模块化仪器的背板时，需要综合考虑预期应用的预算和功能需要。换句话说，模块化仪器不是必须要配备比台式仪器速度更高的背板。背板选择取决于仪器用途(图1)。例如，使用台式仪器时，通过宽带背板连接仪器采集单元与计算单元更为方便，因为两者之间只需点对点连接。与此同时，模块化仪器的背板必须支持几乎无限的连接组合。大多数当代PXI机箱使用了第二代PCIe总线和接口标准，以支持背板实现高吞吐量。部分台式仪器的内部背板采用了相同的第二代PCIe标准，但台式仪器的总线设计通常只需支持该仪器的特定要求。例如，第二代PCIe标准的性能要求超过了16位30MHz任意波形发生器的性能需要，因此此类设备通常采用速度和成本相对较低的总线(例如USB)。同时，160GSa/s采样率的示波器的性能要求高于第二代PCIe标准，因此需要速度更高的专有总线。


图1：台式仪器与模块化仪器架构对比。

该误解包括两个方面的事实。首先，模块化仪器的背板的确通常速度很快，因为它们被设计成支持广泛的应用和不同的数据速率。为了满足仪器间快速通信的要求，模块化解决方案通常需要使用通用或标准背板。模块化仪器则通常选择宽带背板标准，以适应最严苛的应用场景。
其次，模块化仪器升级部件更方便，也就是说模块化系统可以更灵活且更经济高效地升级任何限制性能的部件，相比之下，台式仪器速度升级更加困难。例如，如果CPU成为模块化系统的性能瓶颈，用户可以在市场出现新款PC时轻松升级。同样，如果模数转换器影响系统性能，真正的模块化体系结构支持用户仅升级数字化仪。因此，即使台式仪器和模块化仪器具有相同的初始速度，模块化仪器可以通过逐步升级实现速度提升并超过台式设备。


       
误解3：模块化仪器具有较高吞吐量的原因在于其采用二进制驱动程序接口(例如IVI)替代了文本接口(例如SCPI)
模块化仪器不一定要使用二进制接口，台式仪器也不一定要使用SCPI接口。有些台式仪器可以同时支持SCPI和IVI，部分模块化产品同样如此。最终选择通常取决于仪器的用途。
在大多数应用中，发送和接收驱动程序命令耗时仅占测量时间的极小部分。鉴于仪器厂商致力于帮助用户简化测量，这一点更为明显。例如，是德科技“单键测试”(OBT)应用程序可以让用户使用有限的命令完成整个通信标准(例如GSM、LTE等)的测试。这些OBT应用程序可以使用SCPI(可编程仪器的标准命令)执行自动测试(只需用户启动测试，并在测试结束后获取结果)，也可以使用仪器内部的高速二进制通信来完成测试过程中的硬件控制。因此，客户使用SCPI或者IVI启动一键式测试的吞吐量差异可以忽略不计。
该误解包括哪些事实？通过IVI等二进制驱动程序接口发送命令的速度高于SCPI等解释型命令接口。如果应用需要大量且频繁的PC与仪器之间的通信，驱动程序接口成为性能限制因素的可能性将增加。这与系统是否采用模块化结构无关。
误解4：模块化仪器的信号完整性不如台式设备
大多数情况下，仪器采用模块化外形尺寸并不会影响其信号完整性。事实上，在许多应用中，多个仪器之间的相互依赖会直接影响系统级的指标。对于这些应用，模块化系统通常可以提供更好的指标。例如，有些应用要求很严苛的仪器间偏差(例如MIMO应用)，此时，使用通用背板更容易满足要求。
该误解包括哪些事实？空间受限的应用更适合选择模块化解决方案，例如重视单位面积成本的某些制造环境。许多厂商在设计过程中做出的选择验证了这一点。在空间有限的应用中，模块化仪器厂商倾向于牺牲部分性能来缩减仪器尺寸。例如，他们可能选用体积较小、性能较低的振荡器，或缩小PCB的走线间距，从而导致信号耦合。但是，这是仪器设计过程中的权衡，并非模块化本身的缺点。
一些模块化仪器应用了分区，可以实现更方便的仪器部件升级。跨越模拟接口的分区可能需要增加连线，这可能会小幅影响性能。此外，支持部件升级的系统可能会增加仪器校准的难度。
误解5：模块化仪器指模块化硬件，而不是模块化软件
提及模块化仪器，大多数工程师想到的是PXI、AXI、VXI或其他类型的机箱和插入式模块。符合标准的机箱当然属于模块化的重要内容，但必须结合模块化软件和校准才能发挥模块化硬件的最大价值。例如，是德科技的M9391A和M9393A PXIe矢量信号分析仪(图2)是包含4款PXI模块的模块化系统：时钟源、频率合成器、下变频器和数字化仪。


图2：是德科技“真正的模块化”矢量信号分析仪—M9393A PXI VSA。

缩减硬件尺寸是模块化的重要目标，但硬件、软件和校准的全面模块化才能实现模块化的真正价值。例如，上述产品允许客户独立升级时钟源，以获得更出色的相位噪声性能。驱动程序必须支持模块化。同样，传统台式仪器的校准涵盖全部4个部件，目的是应用最简便的方法确保最佳性能，但该方法不适合支持时钟源模块升级的系统。此时需要采用不同的模块化校准方法，以确保可升级的优势。通过此例可知，模块化仪器中硬件和软件同样重要。
该误解包含哪些事实？部分模块化产品只是采用模块化背板的传统台式仪器—这是事实。例如，有的PXI VSA只是占据多个PXI背板插槽的一个大型模块，而非4个模块组成的系统。此类产品的软件和校准与传统仪器并无二致。尽管具有体积小、支持仪器间快速连接等模块化硬件的优势，但此类产品在可升级性方面无法与支持模块化硬件、软件及校准的产品(例如M9393A PXIe VSA)相提并论。
总结
模块化与台式测试仪器的差异并不明显，但十分重要。通常，模块化更适合构建多仪器系统。但当需要从单台仪器获得最佳性能时，专用台式仪器就很棒。在大多数系统中，可以综合选择台式和模块化仪器，在价格、性能和灵活性之间获得最佳的组合。台式仪器可能更适合产品开发流程的原型测试阶段，而模块化产品有可能在系统验证等阶段发挥更大效用。因此，确定一个可以实现台式仪器与模块化产品灵活转换的方法，从而节省测试时间和费用才是上佳之选。