無論是行動裝置、物聯網(IoT)還是工業射頻(RF)應用,整個世界都仰賴於無線的運作。因此,無線測試比以往任何時候都更重要。但如何均衡完整性、速度和預算呢?「從三項要求中任取兩個」可不是好的答案。測試必須徹底,並且具有足夠快的速度能跟上產品上市的步伐,還必須符合緊縮的預算。

測試工程師應該採用一種合適的方法來管理多方面的折衷因素,並針對特定情形找出最合適的解決方案。

確定測試要求

理想的無線測試一開始先比較和對比兩種常見的無線測試系統:收發機和訊號交遞(handover)。收發機測試用於測試無線電裝置彼此間如何直接通訊。而訊號交遞測試則用於測試天線或接取點(AP)如何與無線電裝置(通常稱為手持裝置)一起執行任務。

不管是收發機測試還是交遞測試,測試裝置都需要考慮以下幾個方面:

  • 透過埠連接裝置與測試系統
  • 內部RF元件衰減、劃分或組合訊號
  • 衰減器可以遠端編程或手動設計
  • 系統在指定的頻率範圍內作業
  • 透過配置建立裝置間的通訊路徑

連接埠、衰減器和分波/混波器、頻率範圍以及內部配置,都是必須進行折衷之處,它們將影響整個測試的速度、全面性和成本。

做出選擇

在理想的情況下,你會擁有最靈活的測試系統。這種系統可以將你需要測試的任何無線電或手持裝置與天線連接在一起。兩個裝置之間的每條路徑都有一個可編程的衰減器,用來單獨地調節裝置之間的訊號強度,並且能夠隨時調節訊號強度,以模擬訊號衰減。

然而,隨著連接埠數、潛在路徑和RF元件的增加,費用也將大幅上升。增加額外的元件就必須擴大機架空間才足以容納,同時也對功耗和散熱提出了更高的要求。

如果減少了測試系統中的元件數,尺寸、功耗和冷卻要求將隨之降低,成本也會下降,必須付出的代價是失去測試的靈活度。有些測試配置甚至可能無法建模。其它測試場景可能需要花更長的時間,因為靈活度降低必然需要更多的反覆測試才能涵蓋個別案例,同時需要更多的時間因應額外的裝置和測試步驟。

在訊號的交遞測試中,能夠平衡靈活度、時間和節能的額外資源是使用人工衰減器。它們比可編程衰減器更便宜,因為它們缺少用於遠端編程的電路,取而代之的是工程師必須透過衰減器前面板上的旋鈕來設置衰減值。手動作業會增加配置的時間,而且無法適應所有的測試場景,例如衰減隨時間改變的dB值設定,以模擬訊號衰減。

即使是輸入功率的規格也會對於預算造成壓力。由於測試設備的元件功耗特性,通常接受有限的天線或接取點輸入功率,約1W,而不是典型的商用40W裝置。增加專用的衰減器取代在滿功率下執行測試所付出的成本比升級測試系統元件要低得多。

雖然嚴格來說不算是折衷,但使用技術上中性的語言有助於拓展選擇合適測試設備的範圍。舉例來說,LTE無線裝置所使用的頻率在每個國家都不同,必須指定實際的頻率範圍。每一家公司如何參考頻率範圍也各不相同。有些公司規定所有的東西以MHz為單位;其他公司則喜歡引用GHz。尋找在每種情況下都適用的值,可確保搜索結果更準確。

權衡明日的需求

折衷也會影響未來。測試工程師不能只考慮現在的需要,因為測試裝置通常無法重新配置。如果你買了一台僅適合現有專案的設備,等到明年可能提出其他需要更高擴展性的設計要求,那時就必須再添購新的測試系統了。而第二台設備也許能夠覆蓋當前與未來的測試案例,因此過度節省的經濟策略反而會弄巧成拙。

在某些情況下,為了取得更高覆蓋率而額外付出的成本也許是可以忽略的。例如,如果你想在900MHz至2GHz頻率範圍內測試收發機,那麼客製化的測試系統成本實際上與覆蓋698MHz至3GHz頻率範圍的成本是相當的,因為後者可能會使用更多的標準元件,因而取得現成元件的成本效率。

考慮到在連接上需要的衰減量,典型的範圍包括:從0dB到95dB,以1dB為步距,一直到6000MHz;或者從0dB到127dB,以1dB為步距,一直到3,000MHz。在典型範圍內所能涵蓋的測試衰減需求越多,測試系統使用更便宜標準元件的可能性就越大。

收發機測試

收發機測試設備中的每個埠都代表待測無線電裝置之一的RF訊號。無線部份經常在遮罩外殼中用於控制測試環境的每根天線都透過電纜連線到這一連接埠。

收發機測試設備中共有三種配置:完全扇出;有限扇出;集中扇出。

完全扇出是最靈活的,因為它提供了一種完全網格狀的矩陣。它也是最貴的,因為它需要最多的RF元件。在完全扇出的配置中,兩個無線裝置對之間的每條可能路徑都有一個對應的衰減器。如果有12個埠,就有(12×11)/2或66條可能的雙向路徑,每條路徑都需要一個可編程的衰減器。如果是6個埠,就有(6×5)/2或15條可能的路徑,因此需要15個可編程的衰減器。

20170221 JFW TA31P1 圖1:12埠的完全扇出配置。這種12埠設計共有66個可編程衰減器

在有限扇出配置中,每個埠連接到任一側側其它埠的特定子集。如果你用的是12埠的盒子,並擁有一個8埠有限扇出的設計,那麼這12埠中的每一個都將連接到正上方的4個扇出和正下方的4個扇出。這將使需要衰減器的路徑數量減少到48個。埠數越多,有限扇出設計就更具經濟效益。一個36埠完全扇出盒子需要630個可編程衰減器。如果改用一個36埠12有限扇出的設計,只需要216個可編程衰減器,大幅節省約三分之二。如果在實際使用中有限扇出可以勝任,無線電裝置將從地理上擴展得足夠遠,因而無須讓所有設備都直接通訊。

20170221 JFW TA31P2 圖2:12埠的集中扇出配置。所有的埠在星狀配置下透過一個阻性功率分波/混波器進行連接。圖中總共有12個可編程的衰減器

集中扇出是最簡單的設計,使用輪輻拓撲。每個埠只有一個可編程衰減器。但這將犧牲其靈活度。每台無線電裝置透過測試系統在同一時刻只能與一台其它無線電設備通訊。

當你設置好一個埠上的衰減器時,你就限制了它到其它埠的傳輸,不能再為每個可能的通訊裝置單獨設置衰減值。你仍然可以在任何一對無線電裝置之間編程特定的衰減值,但會失去對於其它可能路徑上的衰減值進行控制的靈活度。

20170221 JFW TA31P3 圖3:一種12埠的有限扇出設計。每個埠只連接到8個最近的相鄰埠(4個上方的相鄰埠和4個下方的相鄰埠)。這種設計需要48個可編程衰減器

訊號交遞測試

在訊號交遞測試中有兩種類型的埠:輸入和輸出。輸入埠代表天線:基地台、接取點、蜂巢式天線塔或連接到通訊網路的其它類型。輸出埠代表手持裝置或行動裝置。在這個案例中,術語「輸入」和「輸出」是命名慣例,因為訊號交遞測試系統中的所有路徑都是雙向作業的。

共有三種類型的訊號交遞配置:完全扇出;有限扇出;手動交遞。

與收發機測試系統一樣,一個完全扇出的交遞系統意味著所有的輸入都可以與所有的輸出對話。每個輸入埠被連接到一個RF分波器/混波器,並根據輸出埠數將訊號劃分成多條路徑。每條路徑都有一個衰減器。然後每條路徑針對相關的輸出埠導入分波/混波器。為了取得完全扇出交遞系統中的路徑數量,必須將輸入埠數乘以輸出埠數。一個8×4的系統需要為每個輸入埠配置一個1×4的分波/混波器、4個衰減器,並針對每個輸出埠配置一個1×8分波/混波器。因此總共有32個衰減器和12個分波/混波器。

在一個有限扇出配置中,每個輸入都有一個衰減器,因此相同的訊號強度可到達所有天線。所有的輸入導入同一個分波/混波器,然後再導向連接輸出的另一個分波/混波器。對於8×4的配置來說,只有8個衰減器和2個分波/混波器。雖然元件數量較少,但你無法從手持裝置到天線的每條路徑都為其單獨調整衰減值。

手動交遞系統也使用有限扇出配置。手動和編程有限扇出之間的區別在於,在手動系統中以手動旋轉衰減器取代可編程衰減器。手動交遞系統是最簡單、最便宜的類型,通常應用在早期的研發階段。

找到理想的解決方案

有選擇當然很棒,但也可能使得決策過程複雜化。沒有人能告訴你怎麼做最能滿足特定需求,因為沒有其他人能為你權衡你自己的計畫、複雜性和預算。然而,機會在於你可以找到合適的測試設備類型來滿足特定需求。