基于DSP的多频带混合信号测试系统的设计

1 混合信号测试的特点和测试要求
　　
随着数字化浪潮的深入，具有混合信号功能的芯片越来越多地出现在人们的生活中。通讯领域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飞速发展的手机芯片，视频处理器领域的MPEG，DVD 芯片，都是具有混合信号功能的芯片，其特点是处理速度高、覆盖的频率范围宽，芯片的升级换代周期日益缩短。这就要求测试系统具有更高的性能和更宽的频带范围，而且需要灵活的架构来应对不断升级的芯片测试需求，以便有效降低新器件的测试成本。此外，混合信号芯片种类繁多，各种具有混合信号的芯片已经广泛运用到生产和生活的各个领域，而不同的应用领域，其工作的频率和所要求的精度也各不相同，这就要求在对混合信号进行测试时，抓住其共性来提出测试方案。所有混合信号芯片的一个最基本的共性就是其内部均具有AD／DA，一些混合信号芯片还包括PLL模块。本文所论述的混合信号测试仅涉及到ADC和DAC通路。
　　
一般，对于ADC通路，测试系统需要通过波形发生器产生适当的激励信号，同时，通过自身的数字通道采集ADC的输出信号并进行运算以获得测试结果；对于DAC通路，测试系统需要通过数字通道产生适当的激励信号，同时，通过自身的波形采样器采集DAC的输出信号并进行运算获得测试结果。但无论对于 ADC还是DAC测试，都要求系统的模拟模块，即波形发生器和波形采样器，与系统的数字通道同步，才能确保测试的准确性。此外，系统还需提供丰富的内置函数，迅速完成对采集信号的运算，才能实现对ADC／DAC的静态和动态特性的测试。因此，在对混合信号芯片的测试过程中，一般需要数字通道、波形发生器、波形分析器、直流电源、时隙分析器、系统时钟等模块，其中波形发生器和波形分析器是决定系统速度和精度的关键环节，本文分别在这两个方面做较详尽的论述。
　　
2 传统测试方法面临的挑战
　　
传统的基于纯软件的测试方法已经难于应对新型混合信号器件的测试需求，对于混合信号器件，通常要通过测试其互调失真(IMD)、多音频功率比率 (MTPR)等参数，以获得器件的非线性特性，测试这些参数，需要采集大量的数据，并进行大量的运算，传统的测试仪器通常采用基于软件的方法在主机中实现，其缺点在于，一方面限制了运算速度的提高；另一方面，主机和测试台之间存在大量的数据交互，容易造成总线冲突，因而测试效率不高。针对这个情况，一种切实可行的方案是在测试系统前端建立本地仪器子系统，将原来基于软件的信号处理库移植到本地处理器中来完成，仪器子系统集成信号产生和采集的功能，并采用高速DSP进行大量的数学运算，以减少主机处理的时间，消除总线冲突。而且前端子系统与被测器件(DUT)间结构紧凑，可以取得很高的时钟频率，便于灵活地处理多种测试问题，例如，在传统测试系统中，要产生具有ADSL测试所需的动态范围的音频很困难，现在，使用基于DSP的任意波形发生器，这一任务就变得非常容易。这里最新研制的BC3192V50数模混合集成电路测试系统基于VXI总线设计，其最大优点是软件和硬件都具有开放性和标准化的结构，这种结构允许开发新的模块和子系统来加强系统的测试能力，以满足高速发展的集成电路产业的测试需求，针对多频带混合信号IC的测试需要，利用基于DSP的测试系统实现复杂的多频带混合信号芯片测试。
　　
3 国内外混合信号测试现状
　　
近几年，国内外的测试行业都紧随着IT技术的发展步伐，不断地研究新器件的测试方法，开发、更新测试仪器，以适应市场的需要。
　　
由于国外对IC测试重视比较早，测试仪器的开发规模大、技术成熟，典型的如Credence公司的ASL系列大型测试系统，采用了数字信号处理技术，使IC制造商可以在单一平台上测试所有用于消费类音频和视频应用的器件。我国在IC测试方面起步比较晚，虽然也研制出一些大型的具有混合IC测试功能的测试系统，但对多种频率范围的混合信号芯片测试还没有实用化。此外，大型的测试仪器尤其是进口的测试仪器，价格非常昂贵，测试程序的开发和仪器的维护、维修费用都非常高，目前国内的测试仪市场主要集中于中、小型测试仪，因此，通过基于数字信号处理的仪器系统来实现多频带混合信号芯片的测试很有意义，其市场前景也非常好。目前，混合信号测试系统的发展方向，一个是要提高对高速和多频带IC的测试能力和测试效率，一个是要尽可能降低测试成本，因此，现今的测试系统必须以灵活的架构来满足多种混合信号测试的需求。业界主流的做法是将测试系统进一步模块化，通过仪器子系统来独立地处理信号和输出测试结果，并在仪器子系统中集成高速信号处理模块。此外，为了提高测试效率，合理利用资源，利用同一测试系统做多芯片并行测试也是一个发展趋势。
 　　
4 基于DSP的混合信号测试方案
　　
针对当今混合信号的测试需求和国内同类产品的现实情况，提出一种混合信号测试的低成本解决方案，即借鉴目前国际上主流混合信号测试系统的架构，紧密结合中小型测试仪器的特点，充分利用BC3192测试系统的开放性和标准化结构，采用新型高速DSP来提升多频带混合信号芯片的测试能力。
　　
本文实现方案是以任意波形发生器(ArbitraryWave Generator，AWG)和音频／视频数字化仪(Audio／Video Digitalizer，AVD)的组合来应对多种频带的混合信号芯片测试。AVD和AWG的组合可以满足波形发生、操作和分析的需要，内部集成高性能 DSP，能够为测试和分析提供完整的DSP库函数，因而能够满足混合信号的多种测试需要。[!--empirenews.page--]
　　
任意波形发生器如图l所示，可以以单端和差分模式工作，具有完整的波形发生能力，可以产生可修改的复杂波形，具有激励被测器件所需的定时功能。 AWG作为VXI仪器系统的一个模块，通过标准化的接口模块与资源控制器通信，当需要产生激励波形时，资源控制器发送命令和参数到AWG模块，AWG模块采用高速DSP芯片作为主处理器，DSP与波形定时器和控制逻辑一起完成任意波形的产生，从而提供给被测器件(DUT)所需的激励波形。由于被测芯片种类繁多，频带范围很宽，对于不同的被测芯片，采用的定时器和控制逻辑都不尽相同，而且，随着电子技术的发展，频率合成技术已经广泛应用到测试测量领域，采用数字频率合成(DDS)专用芯片使得电路更加简洁可靠，因此，任意波形发生器的设计也更加容易，其抗干扰能力和精度都更加容易保证。

　　

音频／视频数字化仪如图2所示，主要由信号转换和调理电路、波形存储器、DSP、控制逻辑和接口电路等组成。AVD可以设计多个通道，每个通道拥有独立的硬件资源，可以捕获各种频带的被测信号。同样，AVD也是一个标准化的VXI仪器模块，也在资源控制器的控制下与AWG及其他模块一起完成测试任务。AVD模块中包含一个高速DSP芯片作为核心处理器，一方面，DSP中植入了大量的信号处理库函数，诸如FFT、数字滤波器等任务都可在DSP中完成；另一方面，一些测试算法也可以移植到DSP中来做，因此，在AVD模块内部就可以得到一些测试数据的中间结果，使得传送到主机的数据量大大减少，VXI总线上的数据被大量分流，同时，主机的计算量也被DSP芯片分担，这对于缩短测试时间有重要作用。在对大规模混合信号芯片进行多片并测时，采用多片DSP并行的结构，在AVD模块内部完成大量的信号处理和测试算法，能更加显著地提高测试效率。

　　

本方案在硬件和软件的设计上采用标准化和模块化的方法，因此架构灵活、易于升级。首先，由任意波形发生器(AWG)和音频／视频数字化仪(AVD) 为主要模块构成的多频带混合信号仪器系统具有比较完善的功能，能独立完成混合信号测试的大部分工作，对于不同频带范围的混合信号芯片测试，可以用不同的 AWG和AVD组合完成。其次，由于结构紧凑，使得信号采集和处理能在测试台本地完成，提升了信号处理能力，消除了总线冲突。再次，这种灵活的架构方便用户将各个模块作为可选件来配置测试系统，有效地降低了测试成本。另外，本方案实现了对数字信号处理库的移植和优化，提升了信号处理能力，为多芯片并行测试提供了条件。
　　
5 结语
　　
IC技术的发展，一方面提供了大量的功能强大的芯片供系统设计者选用，目前高性价比的DSP芯片不仅迎合了当今数字化浪潮，同时为设计者提供了多种低成本的选择；另一方面，大量新型芯片的出现，给芯片测试带来了新的挑战，作为电子产品数字化核心之一的混合信号芯片成为芯片测试领域的一个新的热点。本文针对国内测试设备制造业的现实情况，提出了一种混合信号测试的低成本解决方案，本文方案充分利用现有条件，遵循标准化和模块化的设计思路，解决了多种频带的混合信号测试问题，是国内现实情况下测试设备制造业的一个探索，相信会随着新技术的出现不断发展和完善。