- ADSL集成電路關(guān)鍵參數(shù)的測試策略
- 采用IMD測試方法
- 采用多音測試方法
- 利用ASL 3000測試平臺進(jìn)行測試
目前全球ADSL用戶數(shù)量在迅速增長，為了刺激ADSL的持續(xù)增長，市場需要低成本的ADSL集成電路，本文介紹如何利用先進(jìn)的測試平臺來對ADSL芯片的某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試，從而使半導(dǎo)體制造商能夠降低ADSL器件的測試成本。
ADSL是一種充分利用普通電話雙絞線上未用資源容量的調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，它采用不對稱傳輸方式，從中心局(CO)到遠(yuǎn)端(RT)的下行速度最高能達(dá)到上行速度的4倍。這種不對稱性能在視頻和互聯(lián)網(wǎng)訪問等以市場為導(dǎo)向的消費(fèi)類寬帶應(yīng)用中是非常理想的，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中下行數(shù)據(jù)速率必須非常高，而從用戶到中心局(CO)的上行數(shù)據(jù)一般都比較少。這種使用模型同樣也適用于從公司服務(wù)器到雇員、合作伙伴和客戶的業(yè)務(wù)通信往來。
與模擬調(diào)制解調(diào)器不同，ADSL 調(diào)制解調(diào)器不進(jìn)入公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)，同時采用了先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，其發(fā)送的信號頻率以及數(shù)據(jù)速率都遠(yuǎn)高于模擬調(diào)制解調(diào)器。ADSL支持的下行速率最高可達(dá)8Mbps，上行速率最高可達(dá) 832kbps。不過隨著信號傳輸距離的增加，采用這種技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率也會很快下降。例如，當(dāng)用戶端與局端的距離在12,000英尺以下時，ADSL 的速率能夠保持8Mbps，當(dāng)距離增加到18,000英尺時，其速率只能達(dá)到1.5Mbps。
ADSL采用人們熟悉的頻分復(fù)用(FDM)方法提供寬帶服務(wù)，同時支持傳統(tǒng)的“普通電話服務(wù)”(POTS)網(wǎng)絡(luò)。ADSL 采用的FDM方法主要是離散多音(DMT)調(diào)制。DMT調(diào)制方法將大約1.1MHz的頻譜分成256個間距相等的子信道或音調(diào)，每個子信道占 5.3125KHz。在DMT頻譜中每個信道都以獨(dú)立的信道方式工作，并采用正交幅度調(diào)制(QAM)的調(diào)制方法來編碼數(shù)字信息。
這些信道除了用于數(shù)據(jù)傳輸外，還能用于獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理或性能測試。較低頻率的信道不用于傳輸信號，一般留作保護(hù)帶寬以避免與處于頻譜低端的傳統(tǒng)POTS設(shè)備發(fā)生干擾。在緊鄰并高于這些保護(hù)信道頻率的頻段，被分配的是少量用于上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?，剩余較高頻率的信道則用于下行數(shù)據(jù)傳輸。就象V.32和V.34 調(diào)制解調(diào)器等其它調(diào)制解調(diào)器技術(shù)一樣，ADSL 調(diào)制解調(diào)器也需要采用回波抵消技術(shù)解決上行和下行信道的重疊問題。而要同時提供電話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就必須依靠低通濾波器或分離器來實(shí)現(xiàn)分離。
測試方法
為了提高ADSL的性價比，制造商需要提供能夠延長中心局與用戶端距離的設(shè)備，這樣就可以減少終端點(diǎn)的數(shù)量，從而降低鋪設(shè)扇形用戶線所需的成本。另外，ADSL設(shè)備的覆蓋性能是最具競爭性的一個因素。較長的電話線會對ADSL所使用的高端頻帶信號造成多達(dá)90dB的衰減。因此，半導(dǎo)體制造商在ADSL設(shè)備的設(shè)計(jì)中通常會采用較高動態(tài)范圍和較低噪聲指標(biāo)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
在ADSL 調(diào)制解調(diào)器中，模擬前端(AFE)的噪聲和線性性能是ADSL 調(diào)制解調(diào)器能在較長線纜上獲得理想數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵所在。并不寬裕的噪聲與線性設(shè)計(jì)余量往往會提高測試的挑戰(zhàn)性，因?yàn)橹圃焐绦枰峁└鼘拕討B(tài)范圍和更高精度的ADSL測試儀器，總之其測試成本要小于或至少等于前一代低性能ADSL設(shè)備的測試成本。
制造商可以采用單音測試方法來判定ADSL的純動態(tài)范圍、標(biāo)準(zhǔn)失真和噪聲基底電平。這種直接測試方法足夠用來快速發(fā)現(xiàn)各種缺陷。單音測試方法對測試設(shè)備的信噪比(SNR) 比較有效。雖然ADSL轉(zhuǎn)換器的線性指標(biāo)比較嚴(yán)格，但SNR仍然是確保ADSL正確工作所必需的重要器件參數(shù)。單音測試還能測得設(shè)備的總體諧波失真 (THD)和無失真動態(tài)范圍(SFDR)。
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在計(jì)算SNR后這些基本的動態(tài)線性測試只要求少量的額外處理過程，因此這種測試基本不會花太多的測試時間開銷。也就是說，單音測試的測試時間要求相對于它的效率來說是非常適中的。此外，許多業(yè)界領(lǐng)先的測試系統(tǒng)都提供預(yù)先做好的例程，以方便這些單音測試的開發(fā)。由于單音測試方法利用一套數(shù)據(jù)就能夠測試多個關(guān)鍵參數(shù)，因此大部分有缺陷的設(shè)備都通不過單音測試。
雖然靜態(tài)的線性測試是ADC規(guī)范的傳統(tǒng)內(nèi)容，但對ADSL設(shè)備來說，不太適合用于設(shè)備的評估。ADSL ADC的高轉(zhuǎn)換速率通常會被高分辨率所抵消。這時需要捕獲大量的數(shù)據(jù)，從而占用大量的DSP運(yùn)算時間。另外需要考慮的因素是ADSL設(shè)備中使用的高頻信號，靜態(tài)線性測試與器件的動態(tài)響應(yīng)會有很大的區(qū)別。
比較這類器件的各種測試可以發(fā)現(xiàn)，最有實(shí)際效果的仍然是基本的環(huán)回測試。工程師將發(fā)送器連接到接收器，然后檢查輸出端送出的編碼數(shù)據(jù)能否在輸入端得到正確解碼。雖然這種高度實(shí)用性的測試方法并不能提供復(fù)雜設(shè)計(jì)中隔離故障設(shè)備所必需的信息，但它執(zhí)行起來速度非常快，費(fèi)用也最低。
IMD測試
雖然積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)等傳統(tǒng)的靜態(tài)線性測量方法非常重要，但它們不足以表征AFE的性能。對于 ADSL設(shè)備來說，THD規(guī)范并不能提供足夠的有關(guān)DUT非線性如何影響輸入信號的信息。在多音ADSL中，整個帶寬的動態(tài)線性范圍決定了調(diào)制解調(diào)器的容量。
在非線性系統(tǒng)中，輸出信號中會出現(xiàn)輸入信號中并不存在的許多頻率分量，其中最常見的頻率分量是諧波。利用單音正弦波測試方法能夠很容易地估測諧波信號。交調(diào)分量是另外一種會嚴(yán)重影響信號保真度的頻率分量。
當(dāng)輸入信號中包含有多個音調(diào)時就會產(chǎn)生交調(diào)失真(IMD)，所產(chǎn)生的IMD與輸入音調(diào)頻率呈一種數(shù)學(xué)關(guān)系，并會在整個頻譜中擴(kuò)散(如圖1所示)。一般來說，第3階分量對信號的保真度影響最大。ADSL設(shè)備中使用的DMT調(diào)制方案是利用具有正常間距的多個正交信號分量，因此不僅第3階IMD，即使是第5階甚至第7階IMD也需要最小化。
測試IMD時需要2個純的單音輸入到DUT，此時必須仔細(xì)斟酌單音的選擇、DUT的取樣率和樣本數(shù)量，才能保證正確地從沒有頻率分量重疊的頻譜中提取出必要的信息。這樣做并不一定能正確表征以整數(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)性能特征；因此通常還會用到啟發(fā)式的方案或強(qiáng)迫方式的整數(shù)搜索。象 ASL3000這樣先進(jìn)的測試平臺會提供具有高取樣率、信號高保真度和時鐘靈活性的儀表操作套件，這都是進(jìn)行可接受的IMD測試配置所必需的。
多音測試
在ADSL的幾種測試中，多音功率比(MTPR)測量是最具挑戰(zhàn)性的測試工作。這種方法主要用來測試某個頻率點(diǎn)(槽位)的信號功率，此時設(shè)備的激勵信號應(yīng)該由除了對應(yīng)被測頻點(diǎn)以外的所有單音組成(圖2)。正常間距下的所有單音都會在空閑頻點(diǎn)處產(chǎn)生大量的IMD分量。由于 ADSL技術(shù)依賴于通過每個頻率頻點(diǎn)的獨(dú)立傳輸，因此這種測試方法能夠有效地評估被測器件的性能。在一個完整的MTPR測試中，所有256個頻率點(diǎn)都需要測量這樣的殘留功率。
測試方案
利用先進(jìn)的測試平臺可以非常方便地實(shí)現(xiàn)TOI和MTPR等測試。一些先進(jìn)的混合信號平臺如Credence ASL 3000所提供的工具就能產(chǎn)生和觀察這些測試所需的正確波形。工程師可以利用內(nèi)部的DSP功能自動執(zhí)行FFT測試或找出信號的幅度、相位和編寫C代碼，并使用某些工具產(chǎn)生和觀察與這些測試有關(guān)的高精度波形。這些先進(jìn)的測試系統(tǒng)還能提供擴(kuò)展分辨率以及可靠完成復(fù)雜ADSL部件的靈敏度測量所需的精度。
許多ADSL設(shè)備中的ADC和DAC動態(tài)性能特征要求提高發(fā)生器和量化器的帶寬和分辨率。例如， ADSL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MTPR測試中的信號電平只有1V rms，當(dāng)這樣的信號擴(kuò)展到255個Bin時，在目標(biāo)頻率Bin中測到的任何殘留信號電平都非常低，因此通常要求16位的分辨率才能確保測試的正確性。
過去，12位ADC和DAC(72dB動態(tài)范圍)被認(rèn)為比較適合DSL部件。雖然在大批量生產(chǎn)中14位ADC和DAC被認(rèn)為是最具實(shí)用價值，但在具有很多電子噪聲的生產(chǎn)環(huán)境中采用16位ADC和DAC顯然具有很大的風(fēng)險。為了完成這些測試工作，測試儀的電氣環(huán)境要求噪聲要很低，應(yīng)該足夠支持96dB以上的動態(tài)范圍。另外，工程師要能夠產(chǎn)生信號，并以非常低的抖動對DUT信號實(shí)施取樣，因?yàn)樵谶@樣的動態(tài)范圍內(nèi)，抖動會直接轉(zhuǎn)換成被測試信號上的等效噪聲。
Credence ASL 3000測試平臺還有一個優(yōu)點(diǎn)，即能夠測試ADSL設(shè)備的發(fā)送部分。除了其固有的靈敏度測量外，利用ASL 3000還能夠?qū)l(fā)送信號通過某個陷波器，以進(jìn)一步改進(jìn)特殊靈敏度測量下的動態(tài)范圍。同樣地，無失真動態(tài)范圍等其它一些關(guān)鍵的測量也能照此辦理。預(yù)置于這個測試儀器內(nèi)的測試?yán)踢€有一個優(yōu)點(diǎn)，即可快速完成測試程序。
利用ASL 3000測試平臺可以簡化MTPR等復(fù)雜的測試工作。ASL 3000提供一個帶簡化測試?yán)痰腄SP庫。事實(shí)上，這個DSP庫與Credence Quartet測試系統(tǒng)提供的庫是相同的，因此可以簡化不同平臺間的移植工作。過去，要產(chǎn)生ADSL測試所需的具有動態(tài)范圍的音調(diào)是十分困難的，而如今先進(jìn)的波形發(fā)生器設(shè)備的出現(xiàn)也使之變得簡單了。多音測試用到的儀器要比其它測試復(fù)雜，在多音測試中不能使用濾波器，因此工程師通常需要仔細(xì)地權(quán)衡精度和測試時間的關(guān)系。
IMD測試的建立一般要比其它測試復(fù)雜，幸運(yùn)的是這些IMD測試只是增加了少量的額外測試時間，但高質(zhì)量的測試結(jié)果使它物有所值。該類型的測試有助于工程師很好地理解設(shè)備的非線性，并更好地改善實(shí)際性能。
事實(shí)上，在最近一次Credence測試方法演示中，向Credence工程師提供的5個部件及其它裝置都通過了測試。當(dāng)工程師用上述更高級的方法測試時發(fā)現(xiàn)，其中一個部件實(shí)際上是有缺陷的。一般來說，晚一些發(fā)現(xiàn)缺陷可能沒什么太大影響，但如果那個產(chǎn)品部件通過正常渠道銷售出去的話，就會影響到用戶對品牌質(zhì)量的認(rèn)知程度。
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一體化設(shè)備
ASL 3000測試平臺可以測試ADSL器件中用到的復(fù)雜調(diào)制信號。它的高性能和高測試精度非常適合用來測試高性能的ADSL部件，特別是在高吞吐量的多點(diǎn)配置中。對于具有集成模擬前端和較多數(shù)量數(shù)字管腳的復(fù)雜混合信號器件來說，測試工程師通?？梢赃x擇Quartet、SZ M3650或Octet等測試系統(tǒng)。
Quartet能夠滿足具有大量數(shù)字管腳和模擬前端并要求大動態(tài)范圍的混合信號器件的低抖動測量要求。而SZ M3650則比較適合測試具有更多數(shù)字引腳的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種情況下在提供測試信號方面需要很大的靈活性。還有就是Octet，它支持對那些同時具有重要數(shù)字內(nèi)容和嵌入式DSL元件的混合信號器件的高吞吐量并行測試。除了這些產(chǎn)品化測試平臺外，還有IMS Gemini MS等工程校驗(yàn)系統(tǒng)還可提供加快復(fù)雜ADSL器件的芯片調(diào)試速度所需的一些特殊功能。
在高級混合信號測試儀中使用的先進(jìn)技術(shù)提供了許多專用的資源，可以用來滿足復(fù)雜ADSL器件的多點(diǎn)測試所需的復(fù)雜單音、多音和IMD測試要求。充分利用這些豐富的測試手段，工程師可以從故障器件中提取出重要的信息，從而更好地理解性能問題和影響產(chǎn)量的因素。
換句話講，工程師也因此能更加專注于他們關(guān)心的那些特殊領(lǐng)域，取長補(bǔ)短，增強(qiáng)自己的開發(fā)能力，以提供更高性能和質(zhì)量的 ADSL產(chǎn)品。利用具有良好性價比的測試系統(tǒng)進(jìn)行相對較少量的復(fù)雜測試，ADSL制造商就能獲得最大的吞吐性能和較低的測試成本，從而充分滿足快速發(fā)展的 ADSL市場需求。
