通信测试技术发展透视.docx

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通信测试技术发展透视

通信测试技术发展透视

通信领域涉及范围很广，除了传统的交换以及各种传输网如光纤、微波卫星通信系统外，还涉及到各种宽窄带通信、计算机网络、因特网业务、广播电视网、移动和固定无线通信业务、接入网业务及各种设备制造业等。

目前随着各种通信新技术的发展及新兴通信设备的出现，用于通信测试的测试手段及各种专用、通用测试设备也大量地得到应用。

以下就通信测试的几个发展方向做一个大体的论述。

一、移动通信测试技术

　　我国目前发展最为迅速的是数字移动通信。

数字蜂窝移动通信制式主要有：

ＧＳＭ９００；ＤＣＳ１８００欧洲制式；ＣＤＭＡ码分多址美国制式；ＰＤＣ日本制式。

中国计量院研制的ＧＳＭ制式数字移动通信综合测试仪校准系统可用于校准ＨＰ８９６０，ＨＰ６３９２Ｅ，Ｗａｖｅｔｅｋ４４００，ＩＦＲ２９３５，Ｗａｖｅｔｅｋ４２０１，Ｒｅｃａｌ６１１３等通信测试仪器。

　　ＣＤＭＡ技术系统由于容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点而具有潜在应用前景。

它以码分多址技术为基础，使用ＰＮ（伪随机码）和功率控制这两种方法允许邻接小区共享业务提供者提供的全部频率配置，一个用户的通信信号用一个唯一的正交码来扩展，在２Ｇ中，ＣＤＭＡ信号以１．２２８８Ｍｂｉｔ／ｓ扩展，第三代ＣＤＭＡ２０００将使用ＳＲ３码片速率，可以在３．７５ＭＨｚ载波中扩展（多载波方式）。

为了改善信道，基站端使用正交沃什尔码。

根据这些技术特性，传统的ＲＦ发生器一定要有宽带数字调制能力，以模拟一个宽带的ＣＤＭＡ发射机，用以测试接收机以及ＣＤＭＡ移动设备信道和信道外的ＲＦ部件性能。

由于ＣＤＭＡ信号的复杂性，要确保测试精度和适应高速数据的测试，必须要提高仪器的智能程度，以从原始数据中求出ＣＤＭＡ的各种有用参数，测试仪器的软件要便于升级以支持新出现的ＣＤＭＡ标准及ＬＤＧＥ这一类临时标准。

适合于平滑过渡的第三代移动通信技术测试用信号源、传输分析仪、信令测试仪以及频谱分析仪和矢量分析仪正在纷纷推向市场。

具有ＶＸＩ总线的通信仪器模块的仪器测试频率范围大，主要针对移动通信测试之用。

二、光纤通信测试技术

　　光纤光缆是光信号传输的媒质，它是光通信的基础。

在这个领域国际电联（ＩＴＵ）制定了一系列标准，它们有Ｇ．６５０、Ｇ．６５１、Ｇ．６５２、Ｇ．６５３、Ｇ．６５５等。

除Ｇ．６５０是有关测试方法以外，其它标准都是按光纤种类分类的产品标准。

在这些标准中规范了该种光纤及由其组成光缆的具体性能指标。

光纤的特性参数分几何特性参数、光学特性参数、传输特性。

此外，对于高速、多信道、长距离光通信系统，规范中未给出的光纤非线性也是光通信需要考虑的重要指标。

光纤和光缆的测试仪表大多建立在光学和电子学原理之上的，因此系统复杂，设备昂贵。

　　光通信实际上是给各种通信业务提供了一个大容量的传送平台，同时在这个平台上利用ＤＷＤＭ、ＳＤＨ、路由器等技术可以组建四通八达的通信基础网络，而构成这个网络中的各个网元就是光通信设备。

由于网络设备的多样性和复杂性，其标准也是大量的。

光通信设备测试分为如下三类：

光接口参数测试、电接口参数测试和设备实现功能的测试。

　　光纤网络测试的仪器是各通信测试仪器供应商特别看重的产品，特别是对于密集波分复用（ＤＷＤＭ）的测试设备。

早期的光测试仪器大部分在电测试仪器前添加光转换器件构成，例如Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司的数字取样示波器ＴＤ６８０００，本身具有５０ＧＨｚ的电学等效带宽，添加光电附件后光学带宽变为３０ＧＨｚ，可用于光元件和光集成电路的研发；添加时域反射附件后又可构成光时域反射计，可用于光纤链路的光信号完整性测试；配备一些专用软件、光源和分光器等构成光通信测试系统（型号为ＣＳＡ８０００），可用于ＤＷＤＭ的测试。

利用类似的办法，电学的频谱分析仪亦可构成光谱分析仪。

ＤＷＤＭ工作波段是１５３０－１５６５ｎｍ。

在３５ｎｍ通带内可传送８、１６个或更多的波长，构成全球性的光纤网络，相应的光放大器、光转换器、光复用器、光电集成电路等纯光学部件的问世，使得光纤网络测试仪器从发射、传输、接收的全面考虑进行设计，制成以光学部件为主的测试仪器，例如采用衍射光栅构成的光谱分析仪，使波长分辨率达到１０－２０ｐｍ，并能在８５０、１３００、１５００ｎｍ的波段内测试单个载波功率、通道波长、通道间隔、总功率以及串扰等特性。

光通信测试仪器的供应商中以Ａｇｉｌｅｎｔ和Ａｎｒｉｔｓｕ公司的产品最多，指标也较高。

　　光通信系统的测试是指系统网元已按设计要求在实际网络或模拟实验网连接构成系统的测试，它包括设备之间互连互通的测试、设备与网络之间的互通测试、网管功能实现的测试、业务互通测试等。

系统在实际或模拟网络进行试验时不可避免地会存在传输损伤，这些传输损伤是否影响整个系统的正常工作是衡量系统质量的依据，此时系统的误码性能、抖动性能、漂移性能是测试系统质量的重要指标，其中误码率是数字传输系统的重要技术指标，也是最常用的测试指标，定时抖动是数字传输设备的一项主技术指标。

三、网络通信测试技术

　　随着网络的规模及复杂性越来越大，各种业务的数量急剧增加，网络的运行、管理和维护的成本越来越高。

降低成本的根本出路是使网络管理标准化、简单化和自动化。

这种标准化的网管系统意味着接口的标准化、体系结构的标准化，使各种设备方便地和网管系统相连。

网管应具有以下功能：

性能管理、故障及维护管理、配置管理、帐目管理和安全管理等。

网管系统的测试也属于软件测试的范畴，它包括实现功能测试、信息模型测试、标准接口协议测试等。

在网络的研制开发、工程安装和日常维护检测中都需要用到网络测试仪。

主要的网络测试仪有局域网测试仪、广域网测试仪以及协议分析仪。

这些仪器都能对网络进行监测和管理，测试网络任何点的流量数据，测试各种网络设备如路由器、交换机、工作站的性能。

但局域网测试仪只能测试以太网和ＡＴＭ网，而协议分析仪有不同的接口适配器和支持包括帧中继、Ｘ．２５、ＩＳＤＮ、ＡＴＭ、ＤＸＴ等各种广域网协议，既可用于测试局域网，又可用于广域网和ＡＴＭ等多种网络测试。

　　光纤主干网，性能测试包括数据速率，链路利用率、流量特性、误码条件等内容，网络测试仪有数据滤波器，以检测特殊的命令和响应，提供可选触发条件，以避免在高速运行条件下，磁盘上存放了太多的元用数据。

在正常运行下主要通过误码率监测未检查网络的完整性，以评定光电连接是否正常。

如果误码超出规定值，首先要检查机械电气连接和电子器件。

如果网络完整性是好的，网络过载也会导致传输延迟和响应变慢以至造成误码突然增加，要使用相应专家诊断软件进行分析以正确定位网络故障。

网络测试仪正在向多功能、小型化发展，以便现场施工和运行维修使用。

四、发展趋势展望

　　随着光纤通信、移动通信和数字通信技术的发展，近年来以测试通信系统参数为目的的各种分析仪表相继出现，以满足通信设备的需求。

这些仪表的共同特点是测试通信系统的主要表征系统指标的基本参数，同时将这些参数进行运算处理、分析，给出通信系统需要的指标参数，这样参数测试将由基本测试向系统测试方向发展。

通信设备的制造厂商和通信设备的运营维护部门，他们关心的是技术规范要求指标的合格与不合格，而不关心指标量的大小，测试的过程是自动按程序进行。

这类仪表是人们先按技术规范要求的指标范围输入到键盘程序中，测试符合规范书的要求则给出合格产品，予以通过，因此测试将由自动化向智能化方向发展，实现自动化测试除省时、省力外，还可减少测试过程中人为的误差。

由于通信系统的国际化，为保证其通信的互联，要求网络间接口必须按标准协议，网络间的信令必须一致，才能使传输的信息满足质量要求。

这样就要求通信测试仪表的测试项目、指标参量、测试方法严格按ＩＴＵ－Ｔ、ＩＴＵ－Ｒ建议标准设计，世界各通信仪表公司、工厂都按ＩＴＵ的标准进行生产。

各仪表公司产品的差异性主要表现在仪表生产的系列完整性、仪表智能软件编辑的程序、仪表采用的专用芯片设计、仪表的专门工艺等差异。

因此，世界各仪表公司技术竞争焦点是软件工程和专用芯片的竞争。

浅谈射频组件电气特性量测

当电子电路的操作频率愈来愈高，电子组件的电气特性就愈难掌握。

一般在VHF（veryhighfrequency,30~300MHz）以下的电路，其组件尺寸或整体电路尺寸与操作频率所对应的波长相比约为一比十，即相当于远小于一波长；且操作电压都在十伏特左右甚至更低；则可视电路走线（Trace）上的电压位准（Voltagelevel）为同时或实时性的。

也就是说，在某一定时刻下，电路走在线各点的电压是相同的。

而在这种状况下，通常电路组件两端的电压也是相同的。

此种电路即称为集总式电路（Lumpedcircuit）。

其电阻、电容、电感等一般常用的电路组件就由组件上头或信息表上所标示的特性值来决定。

此时只要一个较精细的万用电表就可以近乎准确地量得组件特性。

然而当电路的操作频率愈来愈高，使得组件尺寸或整体电路尺寸与操作频率所对应的波长相比大于一比十；则在一定时间下，电路走在线或电路组件两端的电压变化不可被忽略时，此时的电路即为分布式（distributedcircuit）电路。

此电压变化乃因电路走在线的电感与电容值，或是组件的寄生效应甚至材料特性等，随操作频率增加而被突显出来。

因此一条走线不再是一个单纯的连接线，组件也不再由一个单纯的理想值所决定；而得由许许多多的等效电路来表示。

此时便无法用电表量得一个单纯的值，而须以较高频的电磁特性或传输线理论（transmissionlinetheory）来加以分析。

网络分析仪

分布式电路的特性，除了以电路法则分析外，尚须多考虑类似光学的反射与穿透的观念；也就是以电磁波能量传输的观点来进行电路或组件的特性量测与分析。

一般最常用的量测仪器即为网络分析仪。

它是视待测物（DeviceUnderTest,DUT）为一整个网络系统，藉由量测其在不同频率下的功率反射系数（reflectedcoefficient）与穿透系（transmittedcoefficient）来分析待测物特性。

目前一般常用的网络分析仪皆为向量式网络分析仪（VectorNetworkAnalyzer,VNA），其与早期的纯量网络分析仪相比之特性上差异，为前者可以完整地量测到各个参数的大小值与相位值。

网络分析仪有许多的品牌规格以供给使用单位不同目的需求选择；本单位常用的有两台，分别为：

以研究为主的HP-8510C如（图一），以经济上及作业效率为诉求的HP-8753E。

如（图二），在此做简略的展示，以供读者参考。

图一、HP-8510C网络分析仪

图二、HP-8753E网络分析仪

量测环境与校正的关系

网络分析仪并不是开机之后接上待测电路或组件就可以直接进行量测。

为了能有效的进行量测工作，网络分析仪的量测环境设定与校正程序是非常重要而且不可或缺。

由于实际的量测环境常常并不是单纯的仅有网络分析仪，即使如此，量测环境还要依据使用者的需求做不同的频段或输出功率等设定才能完整建立。

当量测平台除了网络分析仪之外，又接了许多的同轴传输线（CoaxialCable）以及不同型式的接头（Connector）或探针（Probe），甚至于专为特定待测组件而设计的测试夹具（testfixture）；则校正工作更是量测之首。

如（图三）所示为本单位量测环境之一，由图中可以看出待测物是置放于量测平台上。

从待测物到网络分析仪之间还需要传输线、转接头、探针等组件连接。

而这些组件所产生的效应并不是使用者所想要量取的，因而必须以校正程序扣除，使能真正量得待测物的特性。

因此本文将着重于介绍一般常用的网络分析仪校正方法。

图三、网络分析仪搭配微探针量测平台之量测环境

当进行一般校正工作时，除了网络分析仪之外，还需要针对不同的接头或探针等量测组件去搭配不同型态的校正治具（calibrationkit）进行校正程序，以符合实际量测环境的需求。

如（图四）所示为本单位常用之校正治具之一。

图四、HP-85056A网络分析仪校正治具

校正的意义

当量测环境决定之后，接着便要实行校正的程序。

校正，简而言之就是归零的意思。

校正的目的即是将仪器从开机后的初始状态调整到使用者所定义的实际量测环境；也就是要除去待测物之外的误差。

当吾人从网络分析仪上多接了一条传输线到待测物，则要真正地量测到待测物特性的话，就要使用校正程序去扣除传输线的特性。

由于考虑实际的量测环境而多加上的组件，一般会产生一些功率损耗（Loss），时间延迟（timedelay）或相位偏移（Phaseshift），以及其它如接点不连续面而造成的高阶杂散模（Highordermode），阻抗不匹配的反射效应等等。

这些为了建构并实行量测所加入的误差必需在校正时加以扣除。

其方法便是对这些误差量的特性以数学模型表示，并藉由量测参考用的校正治具将数学模型中所有的误差参数进行计算求解，而得到所需校准的误差值；此即为校正的理论基础。

其中的校正治具是指：

当进行校正程序时所需赖以量测并计算误差参数的基准电路组件；通常包括开路基准（Openstandard）、短路基准（Shortstandard）、负载或匹配基准（Loadstandard,Match）以及穿透或线基准（Thrustandard,Lines）等组件。

校正本身还由许多种不同的数学模型决定校正程序；常见的校正法有：

单埠校正法（1-portcalibration）、全双埠校正法（Fulltwo-portcalibration）、穿透-反射-线方法（Thru-Reflect-Line,简称为TRL校正法）、线-反射-匹配（Line-Reflect-Match,简称为LRM校正法）等方法。

当然还有其它为特殊目的而发展的校正方法或研究中的新方法；而由于篇幅的限制，在此仅简单介绍一种常用的校正方法－全双埠校正法以供读者参考。

全双埠校正法

全双端口校正法由于在进行校正程序时需要分别量测短路，开路，负载以及穿透四种校正器，因此一般又可简称为SOLT（Short-Open-Load-Thru）校正法。

此外，网络分析仪乃是将所有仪器之外的电路组件视为一个双端口网络，即使现今已有可支持多端口量测的网络分析仪，其基本的校正原理是一样的。

SOLT校正法的双端口网络数学误差模型中将所有能被考虑的误差定义成十二个误差系数，其中分别为：

指向性误差（Directivity,Ed），信号源匹配误差（SourceMatch,Es），反射路径误差（ReflectionTracking,Er），负载匹配误差（LoadMatch,El），传输匹配误差（TransmissionMatch,Et）以及隔离误差（Isolation,Ei）。

而六种误差项中，每个又分别有顺向（Forward）与反向（Reverse）两种，因此共有十二个误差系数。

此SOLT校正法的顺向及反向误差模型分别如（图五）及（图六）所示。

图五、SOLT校正法之顺向误差模型

图六、SOLT校正法之反向误差模型

此误差模型可以由梅森法则（Mason'sRule）来建立这十二个误差参数所形成之联立方程式。

要求解这些参数则需要十二个已知条件，此时即需要藉由量测标准待测电路来得到这些信息。

而标准待测电路即为前述的校正治具。

（图七）为本单位以微探针（Micro-probe）为量测接头，在标准微带线电路基板上实行SOLT校正时对四种治具的量测情形。

（a）.负载基准（b）.短路基准

（c）.开路基准（d）.穿透基准

图七、实行SOLT校正法时量测各校正治具之情形

验证校正结果

SOLT虽然只用四个标准校正治具，却可以提供12个信息。

事实上，就理想的双端口网络而言，双端口开网络，短路网络，负载或穿透的特性为：

其中开路网络与短路网络只提供了四个条件，因此这四个参考电路总共提供了12项信息。

换言之，只要这四组校正治具能有上述理想特性时，则几乎可达到零误差的校正。

然而实际上的校正治具是无法这样完美的，也就是说，实际的校正治具本身就带有些许误差；如此一来，所求得的校正参数便不能精确且完整地表现所有的误差。

然而这样的误差只要小到可以容忍的范围内，便算是成功的校正。

但何谓可容忍的范围？

这就讨论到验证校正的可信度了。

就一般常见的实验室校正而言，当校正完后，再重新分别接上这四组标准电路进行量测，以确认校正的可信度。

若校正结果是可信的，则：

（1）、当接上开路基准时，则可在S11或S22的史密斯图右端看到接近一个小点或一段很短的线段。

（2）、当接上短路基准时，则可在S11或S22的史密斯图左端看到接近一个小点或一段很短的线段。

（3）、当接上负载基准时，则可在S11或S22的史密斯图中心看到接近一个小点或一段很短的线段。

（4）、当接上穿透基准时，则可在S11或S22的史密斯图中心看到接近一个小点或一段很短的线段；并且可在S21或S12的史密斯图右端看到接近一个小点或一段很短的线段。

若四个校正治具能分别有上述的特性，表示校正的工作也告一段落，便可以安心地进行后续的量测工作了。

然而事实上，随着时间的进行，量测环境会慢慢的改变。

如空气中的温湿度，压力，或其它噪声，振动干扰，以及接头或探针因重复使用而磨损等等。

这些因素都会慢慢的使校正参数失效，因此最好的量测是在量测完一个阶段或一定时间之后，再将标准校正治具拿来做一次验证；如果特性已经超过可忍受的范围，则需重新校正，以确保量测的可信度。

结语

在量测高频组件的电气特性时，网络分析仪几乎是不可或缺的仪器。

而当以网络分析仪为量测仪器时，使用者必须特别注意量测环境的校正工作。

此种校正与仪器本身的校正并不相同；而是指对实际待测物之外，不必要的连接装置或组件所产生之效应与以扣除的动作。

因此，能否准确的扣除这些不必要的特性以精准量测实际待测物行为，乃是校正的出发点与最终目的。

由于射频组件种类繁多，应用范围与领域也愈来愈广；各种型式之量测平台也随之愈形复杂，因而针对不同的环境也有不同的校正理论与方法，对其他校正方法有兴趣的读者可以参考参考文献中的相关信息。