ADSL集成电路关键参数的测试策略

2011-11-19 13:28:45来源: 互联网

目前全球ADSL用户数量在迅速增长,为了刺激ADSL的持续增长,市场需要低成本的ADSL集成电路,本文介绍如何利用先进的测试平台来对ADSL芯片的某些关键参数进行测试,从而使半导体制造商能够降低ADSL器件的测试成本。

ADSL是一种充分利用普通电话双绞线上未用资源容量的调制解调器技术,它采用不对称传输方式,从中心局(CO)到远端(RT)的下行速度最高能达到上行速度的4倍。这种不对称性能在视频和互联网访问等以市场为导向的消费类宽带应用中是非常理想的,因为在这些应用中下行数据速率必须非常高,而从用户到中心局(CO)的上行数据一般都比较少。这种使用模型同样也适用于从公司服务器到雇员、合作伙伴和客户的业务通信往来。

与模拟调制解调器不同,ADSL 调制解调器不进入公共交换电话网络(PSTN),同时采用了先进的调制技术,其发送的信号频率以及数据速率都远高于模拟调制解调器。ADSL支持的下行速率最高可达8Mbps,上行速率最高可达 832kbps。不过随着信号传输距离的增加,采用这种技术的数据传输速率也会很快下降。例如,当用户端与局端的距离在12,000英尺以下时,ADSL 的速率能够保持8Mbps,当距离增加到18,000英尺时,其速率只能达到1.5Mbps。

ADSL采用人们熟悉的频分复用(FDM)方法提供宽带服务,同时支持传统的“普通电话服务”(POTS)网络。ADSL 采用的FDM方法主要是离散多音(DMT)调制。DMT调制方法将大约1.1MHz的频谱分成256个间距相等的子信道或音调,每个子信道占 5.3125KHz。在DMT频谱中每个信道都以独立的信道方式工作,并采用正交幅度调制(QAM)的调制方法来编码数字信息。

这些信道除了用于数据传输外,还能用于独立的网络管理或性能测试。较低频率的信道不用于传输信号,一般留作保护带宽以避免与处于频谱低端的传统POTS设备发生干扰。在紧邻并高于这些保护信道频率的频段,被分配的是少量用于上行数据传输的信道,剩余较高频率的信道则用于下行数据传输。就象V.32和V.34 调制解调器等其它调制解调器技术一样,ADSL 调制解调器也需要采用回波抵消技术解决上行和下行信道的重叠问题。而要同时提供电话和数据业务就必须依靠低通滤波器或分离器来实现分离。

测试方法图1:谐波和交调失真频率。

为了提高ADSL的性价比,制造商需要提供能够延长中心局与用户端距离的设备,这样就可以减少终端点的数量,从而降低铺设扇形用户线所需的成本。另外,ADSL设备的覆盖性能是最具竞争性的一个因素。较长的电话线会对ADSL所使用的高端频带信号造成多达90dB的衰减。因此,半导体制造商在ADSL设备的设计中通常会采用较高动态范围和较低噪声指标的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。

在ADSL 调制解调器中,模拟前端(AFE)的噪声和线性性能是ADSL 调制解调器能在较长线缆上获得理想数据速率的关键所在。并不宽裕的噪声与线性设计余量往往会提高测试的挑战性,因为制造商需要提供更宽动态范围和更高精度的ADSL测试仪器,总之其测试成本要小于或至少等于前一代低性能ADSL设备的测试成本。

制造商可以采用单音测试方法来判定ADSL的纯动态范围、标准失真和噪声基底电平。这种直接测试方法足够用来快速发现各种缺陷。单音测试方法对测试设备的信噪比(SNR) 比较有效。虽然ADSL转换器的线性指标比较严格,但SNR仍然是确保ADSL正确工作所必需的重要器件参数。单音测试还能测得设备的总体谐波失真 (THD)和无失真动态范围(SFDR)。

在计算SNR后这些基本的动态线性测试只要求少量的额外处理过程,因此这种测试基本不会花太多的测试时间开销。也就是说,单音测试的测试时间要求相对于它的效率来说是非常适中的。此外,许多业界领先的测试系统都提供预先做好的例程,以方便这些单音测试的开发。由于单音测试方法利用一套数据就能够测试多个关键参数,因此大部分有缺陷的设备都通不过单音测试。

虽然静态的线性测试是ADC规范的传统内容,但对ADSL设备来说,不太适合用于设备的评估。ADSL ADC的高转换速率通常会被高分辨率所抵消。这时需要捕获大量的数据,从而占用大量的DSP运算时间。另外需要考虑的因素是ADSL设备中使用的高频信号,静态线性测试与器件的动态响应会有很大的区别。

比较这类器件的各种测试可以发现,最有实际效果的仍然是基本的环回测试。工程师将发送器连接到接收器,然后检查输出端送出的编码数据能否在输入端得到正确解码。虽然这种高度实用性的测试方法并不能提供复杂设计中隔离故障设备所必需的信息,但它执行起来速度非常快,费用也最低。

IMD测试

虽然积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)等传统的静态线性测量方法非常重要,但它们不足以表征AFE的性能。对于 ADSL设备来说,THD规范并不能提供足够的有关DUT非线性如何影响输入信号的信息。在多音ADSL中,整个带宽的动态线性范围决定了调制解调器的容量。

在非线性系统中,输出信号中会出现输入信号中并不存在的许多频率分量,其中最常见的频率分量是谐波。利用单音正弦波测试方法能够很容易地估测谐波信号。交调分量是另外一种会严重影响信号保真度的频率分量。

当输入信号中包含有多个音调时就会产生交调失真(IMD),所产生的IMD与输入音调频率呈一种数学关系,并会在整个频谱中扩散(如图1所示)。一般来说,第3阶分量对信号的保真度影响最大。ADSL设备中使用的DMT调制方案是利用具有正常间距的多个正交信号分量,因此不仅第3阶IMD,即使是第5阶甚至第7阶IMD也需要最小化。

测试IMD时需要2个纯的单音输入到DUT,此时必须仔细斟酌单音的选择、DUT的取样率和样本数量,才能保证正确地从没有频率分量重叠的频谱中提取出必要的信息。这样做并不一定能正确表征以整数为基础的数学性能特征;因此通常还会用到启发式的方案或强迫方式的整数搜索。象 ASL3000这样先进的测试平台会提供具有高取样率、信号高保真度和时钟灵活性的仪表操作套件,这都是进行可接受的IMD测试配置所必需的。

多音测试

在ADSL的几种测试中,多音功率比(MTPR)测量是最具挑战性的测试工作。这种方法主要用来测试某个频率点(槽位)的信号功率,此时设备的激励信号应该由除了对应被测频点以外的所有单音组成(图2)。正常间距下的所有单音都会在空闲频点处产生大量的IMD分量。由于 ADSL技术依赖于通过每个频率频点的独立传输,因此这种测试方法能够有效地评估被测器件的性能。在一个完整的MTPR测试中,所有256个频率点都需要测量这样的残留功率。

测试方案

利用先进的测试平台可以非常方便地实现TOI和MTPR等测试。一些先进的混合信号平台如Credence ASL 3000所提供的工具就能产生和观察这些测试所需的正确波形。工程师可以利用内部的DSP功能自动执行FFT测试或找出信号的幅度、相位和编写C代码,并使用某些工具产生和观察与这些测试有关的高精度波形。这些先进的测试系统还能提供扩展分辨率以及可靠完成复杂ADSL部件的灵敏度测量所需的精度。

许多ADSL设备中的ADC和DAC动态性能特征要求提高发生器和量化器的带宽和分辨率。例如, ADSL标准规定MTPR测试中的信号电平只有1V rms,当这样的信号扩展到255个Bin时,在目标频率Bin中测到的任何残留信号电平都非常低,因此通常要求16位的分辨率才能确保测试的正确性。图2:多音测试时Bin内的残留信号。

过去,12位ADC和DAC(72dB动态范围)被认为比较适合DSL部件。虽然在大批量生产中14位ADC和DAC被认为是最具实用价值,但在具有很多电子噪声的生产环境中采用16位ADC和DAC显然具有很大的风险。为了完成这些测试工作,测试仪的电气环境要求噪声要很低,应该足够支持96dB以上的动态范围。另外,工程师要能够产生信号,并以非常低的抖动对DUT信号实施取样,因为在这样的动态范围内,抖动会直接转换成被测试信号上的等效噪声。

Credence ASL 3000测试平台还有一个优点,即能够测试ADSL设备的发送部分。除了其固有的灵敏度测量外,利用ASL 3000还能够将发送信号通过某个陷波器,以进一步改进特殊灵敏度测量下的动态范围。同样地,无失真动态范围等其它一些关键的测量也能照此办理。预置于这个测试仪器内的测试例程还有一个优点,即可快速完成测试程序。

利用ASL 3000测试平台可以简化MTPR等复杂的测试工作。ASL 3000提供一个带简化测试例程的DSP库。事实上,这个DSP库与Credence Quartet测试系统提供的库是相同的,因此可以简化不同平台间的移植工作。过去,要产生ADSL测试所需的具有动态范围的音调是十分困难的,而如今先进的波形发生器设备的出现也使之变得简单了。多音测试用到的仪器要比其它测试复杂,在多音测试中不能使用滤波器,因此工程师通常需要仔细地权衡精度和测试时间的关系。

IMD测试的建立一般要比其它测试复杂,幸运的是这些IMD测试只是增加了少量的额外测试时间,但高质量的测试结果使它物有所值。该类型的测试有助于工程师很好地理解设备的非线性,并更好地改善实际性能。

事实上,在最近一次Credence测试方法演示中,向Credence工程师提供的5个部件及其它装置都通过了测试。当工程师用上述更高级的方法测试时发现,其中一个部件实际上是有缺陷的。一般来说,晚一些发现缺陷可能没什么太大影响,但如果那个产品部件通过正常渠道销售出去的话,就会影响到用户对品牌质量的认知程度。

一体化设备

ASL 3000测试平台可以测试ADSL器件中用到的复杂调制信号。它的高性能和高测试精度非常适合用来测试高性能的ADSL部件,特别是在高吞吐量的多点配置中。对于具有集成模拟前端和较多数量数字管脚的复杂混合信号器件来说,测试工程师通常可以选择Quartet、SZ M3650或Octet等测试系统。

Quartet能够满足具有大量数字管脚和模拟前端并要求大动态范围的混合信号器件的低抖动测量要求。而SZ M3650则比较适合测试具有更多数字引脚的设计,因为这种情况下在提供测试信号方面需要很大的灵活性。还有就是Octet,它支持对那些同时具有重要数字内容和嵌入式DSL元件的混合信号器件的高吞吐量并行测试。除了这些产品化测试平台外,还有IMS Gemini MS等工程校验系统还可提供加快复杂ADSL器件的芯片调试速度所需的一些特殊功能。

在高级混合信号测试仪中使用的先进技术提供了许多专用的资源,可以用来满足复杂ADSL器件的多点测试所需的复杂单音、多音和IMD测试要求。充分利用这些丰富的测试手段,工程师可以从故障器件中提取出重要的信息,从而更好地理解性能问题和影响产量的因素。

换句话讲,工程师也因此能更加专注于他们关心的那些特殊领域,取长补短,增强自己的开发能力,以提供更高性能和质量的 ADSL产品。利用具有良好性价比的测试系统进行相对较少量的复杂测试,ADSL制造商就能获得最大的吞吐性能和较低的测试成本,从而充分满足快速发展的 ADSL市场需求。

作者:Larry Dibattista


副总裁兼总经理

Chris Oberhauser


高级应用工程师


Credence系统公司

关键字:ADSL

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1119/article_3986.html
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