隨著802.11ax等新無線通訊技術及未來5G的發展,測試儀器採用模組化硬體和軟體定義的方式也變得更加流行;光通訊及IP通訊測試市場也處於一個持續的成長期,100G的普及與200/400G的啟動、資料中心/雲端運算的火熱、銅退光進的大趨勢,都對光通訊測試領域帶來持續的利多資訊。

本文針對這些技術和市場熱點,採訪了幾家業界領先的測試量測廠商,從中總結出了測試量測產業發展的六大趨勢,同時也看看他們為這些挑戰提供了哪些解決方案。

20170607NT01P1 通訊技術的新發展,為量測產業帶來新挑戰。

趨勢一:未來5G通訊的測試主要在毫米波

目前最前瞻的無線通訊技術莫過於5G行動通訊。5G目前有兩個著重點,一個是在低於6GHz的頻寬上;另一個則是在毫米波部分。日前,美國國家儀器(NI)產品市場總監Jason White在接受本刊專訪時告訴記者,在低於6GHz的頻寬上,業者要針對頻譜的使用做到更最佳化、更有效使用。在這其中,大規模多重輸入多重輸出(MIMO)系統帶來在多通道之間更好的同步機制。針對這個設計,數位訊號處理器(DSP)廠商面臨一些挑戰,例如在波束調整(Beamsteering)或者在波束成形(Beamforming)。

在毫米波的部分,即大於6GHz的平台上,它目前細分為兩塊。第一塊是大家對毫米波瞭解得還不多,所以還在做很多通道模型的建立、通道測量,同時針對在開放空間、密閉空間各種情形下的衰減狀況。另外,毫米波上需要在成本、體積和功率這三者之間取得比較好的平衡。現在的IC製程,毫米波因為其波長比較短,所以可以把天線整合在IC上,相對就產生了一些功率上的問題。因此,3GPP對5G的實施分為兩個階段。第一個階段還是著重在小於6GHz的平台上。

對於未來5G測試解決方案,Jason White表示,NI針對小於6GHz的部分提供第二代向量訊號收發器VST 2.0。在大於6GHz,也就是毫米波的部分,目前大部分測試使用的是台式儀器。大部分台式儀器最大只有40GHz,這些既有儀器當初是為了軍工國防測量設計,對於未來5G上較大的頻寬不見得適合。另外,這類儀器還面臨成本很高的問題。NI跟前期的使用者合作下一代毫米波測試儀時,目標是要提供給使用者很好的測量精準度,同時在靈活性以外,還要提供使用者可負擔的成本。

另外,Jason White指出,5G測試需求的演進並不是革命性的,而是逐步演進。5G的過渡前有4.5G,像載波聚合這樣的技術其實4G就已採用了,未來5G會聚合更多的載波。比如,Verizon 5G的規範上就聚合了8個100MHz的載波,所以顯然載波聚合會需要越來越多的大頻寬測試需求。另外,在毫米波的部分,雖然其整體測試還不知道該如何,但是在無線通訊的演進過程中不變的是誤差向量幅度(EVM)或鄰近通道Power ACP等,這些測量項不管用什麼樣的協議幾乎都要測試。其中一個可以借鑒的是,802.11ad中已經使用毫米波頻段。

此外,毫米波上會有比較大的測試項變革:目前很多測試是有連接線的,未來會有更多的空中下載(OTA),可能要在一個暗室中,用一個天線去對著待測物進行測試。原因在於毫米波之後,有很多天線在半導體製程上已被整合上去,已經沒有任何節點可以直接作有線連接測試。

趨勢二:行動通訊測試正處間歇期;光通訊和IP通訊測試則處上升期

羅德史瓦茲(R&S)業務發展部經理安毅向本刊表示,電子測試與測量作為電子資訊工業中的重要組成部分,其發展與電子產業密切相關。隨著電子資訊技術的革新、產業和商業模式的發展,測試與測量也表現出相應的特點和趨勢。第一,測試測量產品與技術的創新的重要性日益突顯。新的測試方法的實現,產品性能的提高才能更好地滿足產業的需要。第二,測試測量產品與技術的前瞻性為電子資訊產品的研發提供保障,加速產業的發展。

該公司認為,測試與測量的研究熱點包括了5G測試、THz等前瞻技術,除了測試與測量之外,R&S在安全通訊、廣播電視與媒體、監測與網路測試等領域不斷地研究和創新。此外,R&S還推出了毫米波安檢掃描器,樹立新的產業標竿,更適用於安全產業。

隨著電子通訊技術的不斷升級,測試量測產業整體市場需求在中長期還是會保持一個穩定的增長態勢。上海安立知(Anritsu)市場部經理徐江表示,從細分市場來看,行動通訊測試市場因為正處於4G與5G之間的間歇期,相對會處於一個短暫的低谷時期,靜待5G市場的啟動。

物聯網測試市場相對傳統無線通訊測試市場來說,其熱烈的市場預期與實際的測試需求是有些差距的,因為物聯網終端本身無線技術相對簡單,對測試的依賴度、測試時間及測試成本都與傳統手機終端差別很大,對於整個產業規模的拉抬能力有限。光通訊及IP通訊測試市場則會處於一個持續的上升期,100G的普及與200/400G的啟動,資料中心/雲端運算的火熱,銅退光進的趨勢,都對光通訊測試領域帶來了持續的利多資訊。

安立知也是著眼於5G相關技術和標準的發展及早期調變方式的研究,特別是5G會採用釐米波及毫米波頻段,對終端測試而言,其空口測試方案與過去完全不同,無法採用普通線纜連接的方式進行測量,這就對如何在OTA環境中保證測量精度及測試結果提出了挑戰。

徐江表示,物聯網的普及讓越來越多的電子產品具備了連網功能,這對無線通訊市場整體而言無疑是利多,但正因為連網功能會越來越成為標配,從客戶角度看就會越來越關注增加連網功能以後的成本問題,這個成本會包括元件的成本、研發的成本、製造的成本等多個環節。反應到測試儀器領域,工程師希望盡可能降低研發及生產測試的成本的要求,面對這個需求,安立知在現有儀器平台上力求僅透過很少花費的軟體升級即可支援最新的技術標準,盡可能最大化利用客戶的現有投資。此外,該公司還在儀器硬體設計上進行了仔細的研究,簡化了架構、縮小了體積,進一步降低儀器價格,便於客戶擺放及攜帶。

趨勢三:無線技術普及驅動測試測量技術向混合域訊號調變發展

近年來新材料新技術的導入使測試訊號向更快、更高頻率、更高精度等方向發展。為了能準確的評估訊號的真實特性,需要有更高頻寬、更高精度、更加可靠的測試儀器來實現。另外,隨著無線技術被廣泛應用到各個產業,所以工程師需要對時域及頻域訊號的同時調變,同時也驅動了測試量測技術向混合域訊號調變的方向發展。

太克(Tektronix)表示,目前工程師對混合訊號的調變,已經突破了傳統對類比訊號及數位訊號的侷限。工程師需要對新興的無線技術進行測試,甚至需要對很多無線訊號的進行標準評估,例如Wi-Fi、低功耗藍牙訊號等。除此之外,對於越來越嚴格的EMI一致性要求,也希望能有工具幫忙進行EMI整頓改革的評估。對此,太克推出了MDO系列混合域示波器及RSA系列即時頻譜儀來幫助廣大的工程師進行混合域訊號的調變。

對於物聯網產業,太克能從整個物聯網的架構提供完整的測試方案,主體結構由電池、功率管理晶片、感測器、無線通訊四大部分組成。工程師在每個部分設計都面臨著嚴峻的挑戰,如電池壽命最佳化、功率管理晶片準確評價/感測器的功耗的標定,以及從射頻元件到發射及接收性能測試,因受物聯網產品自身特性的制約,物聯網產業必須考慮測試投入,這是物聯網射頻測試的最大挑戰。隨著太克最新的向量網路分析儀加入,其實現了針對物聯網產業的高性價比從設計、部署、調變的全面解決方案。

無線射頻訊號高性價比的測試工具,以往對於無線訊號的測試儀器價格都非常昂貴,導致很多公司從事無線產品或者模組的研發生產,測試都是輪流測試,這樣導致生產效率大大降低,太克推出了一些全新架構的產品,和同等指標產品相比,太克向量網路分析儀價格可低40%,RSA系列即時頻譜分析超高性價比也提供了獨特的訊號分析功能。

趨勢四:802.11ax三項技術解決多用戶接取的壅塞問題,那測試呢?

IEEE開發了新的802.11ax協定,用來解決802.11ac多用戶接取AP的壅塞問題。Jason White告訴筆者,802.11ax當中導入了三項關鍵技術。比如在調變上,它採用了更高階的1024QAM。它針對上下行採用跟LTE中同樣的正交頻分多址接取(OFDMA)技術,來允許多個用戶在同一時間接取。此外,它加入了多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)天線技術,目的在於提升整體功率使用。

具體來說,從802.11ac到802.11ax所做的改善,它使用了波束調整,並在空間中允許更多使用者接取。「802.11ac著重給單一使用者最高的速度,就好像為專人開闢專線一樣。而802.11ax則是讓大家都能有相當好的體驗,獲得應有的頻寬和網路資源。」Jason White表示。

802.11ax的改變也帶來了幾個新的測試挑戰。首先,它使用1024QAM,造成子載波與子載波之間的間隔變得更小——無論是在晶片組本身需要有非常好的相位雜訊或是相位線性度,還是在測試儀器方面需要更好的相位雜訊。同時,802.11ax 8×8多天線輸入輸出,要求8個通道之間要有更好的同步,因此向量訊號收發器(VST)也要在多通道之間有更好的同步機制。

802.11ax協定的測試專案有一部分繼承了802.11ac,但是802.11ax協定在整體上更加複雜,因此也帶來了一些更複雜的測試細節。此外,它也導入了一些新的測試項目,如Unused Tones Error。因為有多用戶的機制,所以即便不是旁邊的使用者,它也需要針對臨近子載波去進行測試。另外,它也增加了一些新的子站測試項目。

日前,NI針對802.11ax標準草案1.1版分別發佈了研發測試用和生產測試用的軟體工具包——WLAN測試工具包17.0版和WTS 1.3版工具包。透過對既有的NI向量訊號收發器進行軟體升級,工程師就可以進行802.11ax協議測試。

Jason White告訴記者,WLAN測試工具包17.0版不僅支持802.11ax,而且支持以前的802.11a/b/g/n/ac/af/ah/p。除了這個工具包以外,NI同時還有其他工具包,比如蜂巢工具包,支持2G、3G、4G等不同代的通訊協定。

對於降低成本或提升測試速度最顯著的一個案例是Wi-Fi晶片大廠——高通(Qualcomm)。

該公司使用NI向量訊號收發儀,搭配這款WLAN測試套件,成功將Wi-Fi晶片的測試速度提升了200倍。同時,因為NI平台的靈活性,也讓高通進一步縮短了上市時間。

趨勢五:實體層觀察訊號+協定層分析匯流排協定,多角度協作成趨勢

Teledyne LeCroy市場經理李發存表示,測試測量技術追求的是在可控的誤差範圍內,不失真的對訊號進行測量分析。這要求測試儀器需要更高的頻寬、更高的取樣速率、更高的解析度,隨著100G/200G/400G通訊的發展,以及PCIe 4.0(16Gbps)、SAS 4.0(24Gbps)和USB 3.1(10Gbps)的推出,需要測試儀器具有更高的頻寬、更高的取樣速率,才能高度不失真的採集這些高速訊號。同時,對PDN以及各種感測器等小訊號的分析,需要儀器具有更高的解析度,才能更清晰的分析這些小訊號。測試量測也在追求從多個角度去分析觀察問題,從實體層觀察訊號、從協定層分析匯流排協定,這樣才可以得到全面的資訊。

目前工程師測試遇到挑戰主要是,僅僅透過實體層或者協議層的單一測試,無法定位問題,解決問題。該公司的示波器和協定分析儀的組合,可以協助客戶更快的定位問題,解決問題。

針對這些新的領域,Teledyne LeCroy一直在增強擴展自己的產品線,2016年Teledyne LeCroy收購FrontLine,提供業內領先的藍牙、Wi-Fi、NFC等協定分析儀,進一步增強其物聯網測試解決方案;2015年推出的電機驅動分析儀MDA800,具有8個通道、12位元解析度,可以對電機驅動進行全面的分析,同時也可以對各種的感測器訊號進行分析,是業內唯一的可以完整分析電動汽車電機驅動的儀器。

Teledyne LeCroy一直在致力於追求高頻寬、高取樣速率的同時,實現更高的解析度、更高的測量精準度。2016年Teledyne LeCroy推出HDO9000,可以在4GHz頻寬、40GS/s取樣速率下,實現10位元的解析度。2017年4月,該公司的HDO-A系列示波器,在12位元取樣速率下,實現了10GS/s取樣速率。針對最近熱門的技術,如Type-C、PCIe 4.0、SAS 4.0、100G、400G等,Teledyne LeCroy都推出了實體層和協定層的完整解決方案,並且在某些領域,該公司還提供獨家的PCIe 4.0、SAS 4.0、HDMI 2.0協定分析儀。

趨勢六:最佳化儀器的核心硬體,口袋型設備功能日漸強化

電子設備一直向小型化、整合化和智慧化的方向發展,電子測試設備也不例外。但在1991年以前,所有的示波器都是傳統的台式示波器,在小型化和整合化上鮮有突破。英國Pico Technology在1991年開發了PC示波器,經過26年的發展,該公司已經開創出一個PC示波器的市場。同時,市場上也正出現更多的基於PC的測試測量儀器,如基於PC的向量網路分析儀、基於PC的頻譜分析儀等。

Pico Technology表示,基於PC的測試儀器有很多優點,如更加便攜小巧、充分利用了外部PC的性能、簡化了系統設計從而能夠進一步優化儀器的核心硬體部分,使得基於PC的儀器能夠具備更多優秀的性能指標。例如,PicoScope這種可以裝到口袋裡的小型設備包含了多達6種儀器的功能:示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀、任意波形發生器、函數產生器、串列匯流排分析儀;而且還具備一系列領先的指標和特點:USB 3.0介面高速傳輸資料、2GS深儲存深度、16位元ADC解析度、8~16位元可調ADC解析度、8通道12位元ADC解析度、通道隔離、自訂示波器功能等。

工程師在測試過程中面臨很多挑戰,如外場或現場測試沒有測試設備或儀器的供電問題;測量出現時間間隔較長的訊號需要更長採集時間,如MIPI訊號中的LP訊號,每兩個LP訊號間的時間間隔有時候可能會達到ms等級,這時候如需要同時觀察到多個LP訊號,則需要示波器具備更長的儲存深度;測量電源波紋或者開關電源時需要示波器具有更高的動態範圍;測量三相電或者功率變換系統時需要更多的示波器測量通道;CATIII環境下的差分或浮地測量;數位類比混合系統的測量;高速訊號介面的測量驗證;震動訊號或者加速度訊號的測量;慢速訊號的長時間記錄等。

Pico Technology透過提供一系列有針對性特點和技術的產品來讓使用者應對這些挑戰,如所有系列產品不僅便攜而且大部分產品可以直接透過電腦的USB接口進行供電;所有系列 都有長儲存深度如PicoScope 6000系列具有2GS的儲存深度;PicoScope 4000具有12位元ADC以及16位元ADC(PicoScope 4262示波器底噪的有效值低至8.5μV)的高解析度;PicoScope 5000具有8~16位元ADC靈活可調的特點;PicoScope 4824具有8個輸入通道;PicoScope 4444具有4對真實差分輸入、8個通道、14位元ADC、通道隔離的特點;PicoScope 9000具有高達25GHz的頻寬,可以驗證高速介面訊號的眼圖、傳輸線或線纜等的特徵阻抗等。

各測試測量廠商提供哪些測試解決方案?

安立知去年針對行動終端測試領域推出了MT8821C無線通訊分析儀。MT8821C是一個集所有功能於一身的終端測試儀,支援LTE 4×4 MIMO DL終端測試及DL CA 5CC終端測試。該產品可讓終端廠商加快LTE-A及LTE-A Pro終端商用的步伐。在近期其還將增加支援包括NB-IoT及Cat-M在內的LPWA物聯網技術。

從產品線來看,安立知對無線行動通訊、IP資料/光通訊、電子通用測量領域提供全面測試解決方案。該公司針對產線測試需要模組化、整合度高的測試方案,有針對無線終端測試的MT8870A無線終端測試儀及100G光模組產線測試的MP2110A一體化眼圖及誤碼儀。針對工程師現場維護需要小巧輕便的儀錶,其最近又推出了可放入口袋的最新超輕便儀器系列:S331P超輕便電纜和天線分析儀、MA24507A毫米波功率分析儀、MS2760A毫米波頻譜分析儀。

該公司表示,未來1~2年內,產品研發的重點將是物聯網終端、5G研發測試及高速介面、高速光通訊測試領域的應用方案。物聯網及5G方面會陸續發佈針對Cat-M、NB-IoT等低功耗廣域物聯網技術的測試解決方案,並會推出針對5G晶片及終端開發必不可少的新一代基地台模擬器。在高速序列介面、高速光通訊技術方面,也會在現有方案上做進一步的完善及升級,以滿足業界及客戶日新月異的測試需求。

安毅則表示,R&S具有無線綜合測試儀CMW、向量訊號源SMW、頻譜與訊號分析儀FSW、EMC測試接收機ESW等等眾多產品。這些產品能夠滿足非常苛刻的測試需求,同時測試功能全面而強大,可以覆蓋眾多領域、眾多環節的測試應用,如通訊、航太國防、科學研究等。

MDO4000B系列示波器是太克推出非常具有特色的一款產品,主要是用來應對因為無線訊號的興起,與訊號調變提出的新的挑戰。其最大的特點是可以從時域頻域訊號混合調變這個新的角度,來觀測訊號的關聯性。對於全新架構的無線測試儀器,VNA及RSA系統產品降低了儀器的成本而不損害儀器的測試能力,更好的應付越來越高的無線訊號及相關元件的調變。

Teledyne LeCroy最有特色的產品是LabMaster10Zi-A,最高頻寬可達100GHz、取樣速率240GS/s,採用的是模組化設計,通道數目靈活配置,最高可以配置成80個通道,通道之間的抖動小於1fs,可以實現最高的頻寬,最高的通道密度,非常適合100G/400G通訊、PCIe 4.0、SAS 4.0等對頻寬和取樣速率要求非常高的領域。

現在測試儀器競爭激烈,也存在同質化的現象,Teledyne LeCroy一直致力於開發滿足客戶需求的產品,提供差異化的產品,來提高自己的競爭力。「Teledyne LeCroy的MDA800電機分析儀就是我們針對電機驅動分析開發的一款儀器,它具有8個通道、12位元的解析度,可以作為一台示波器使用,也可以分析功率、功率因數、效率、轉速、轉矩及諧波,可以完成功率分析儀、諧波分析儀、轉速扭矩測試設備完成的功能。」李發存表示。

Teledyne LeCroy的產品有兩大類:示波器和協議分析儀。該公司提供業內最寬頻寬範圍的示波器,從40MHz低頻寬到100GHz高頻寬的示波器,同時HDO系列高精準度示波器可以提供最高12位元的硬體精準度。協定分析儀產品線則緊跟各個協定匯流排的發展,提供最前瞻的協定分析方案,例如PCIe 4.0、HDMI 2.0、DP 1.4等協定分析方案。

Pico Technology告訴記者,該公司最新推出了一款產品,即PicoScope 4444,它具有4個真實差分輸入通道(接上D9BNC的適配器即可變為8通道輸入的示波器)、14位元的ADC解析度精度、通道間隔離、256MS的儲存深度等特點。該款示波器是浮地測量的理想方案,解決了A-B偽差分測量的共模抑制比問題、隔離示波器的非平衡輸入問題,以及使用差分探頭的高昂價格問題等。

PC示波器透過將示波器的核心零件即資料獲取部分與控制系統及PC分離開來,並利用一系列技術創新,使得示波器變得非常小巧,硬體性能不僅沒有減弱,還得到了多方面的最佳化,而借助外部強大的PC,使得其功能也和傳統高性能示波器一樣強大,遠優於傳統的因為便攜要求配置較低作業系統的低階台式示波器。「所以我們將Pico Technology的PicoScope與傳統台式示波器的關係比喻為,當今功能強大卻又非常小巧的智慧型手機與過去體積龐大功能簡單的大哥大。」Pico Technology表示。