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測試與測量  

ADSL積體電路關鍵參數的測試策略

上網時間: 2003年11月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:不對稱數位用戶線  數據機  下行速度  上行速度  公共交換電話網路 

目前全球ADSL用戶數量在迅速成長,為了刺激ADSL的持續成長,市場需要低成本的ADSL積體電路,本文介紹如何利用先進的測試平台來對ADSL晶片的某些關鍵參數進行測試,因而使半導體製造商能夠降低ADSL元件的測試成本。

ADSL是一種充分利用普通電話雙絞線上未用資源容量的數據機技術,它採用不對稱傳輸方式,從局端(CO)到遠端(RT)的下行速度最高能達到上行速度的4倍。這種不對稱性能在視訊和網際網路存取等以市場為導向的消費性寬頻應用中是非常理想的,因為在這些應用中下行數據速率必須非常高,而從用戶到局端(CO)的上行數據一般都比較少。這種使用模型同樣也適用於從公司伺服器到員工、合作夥伴和客戶的業務通訊往來。

與類比數據機不同,ADSL數據機不進入公共交換電話網路(PSTN),同時採用了先進的調變技術,其發送的訊號頻率以及數據速率都遠高於類比數據機。ADSL支援的下行速率最高可達8Mbps,上行速率最高可達832kbps。不過隨著訊號傳輸距離的增加,採用這種技術的數據傳輸速率也會很快下降。例如,當用戶端與局端的距離在12,000英呎以下時,ADSL的速率能夠保持8Mbps,當距離增加到18,000英呎時,其速率只能達到1.5Mbps。圖1:諧波和交調失真頻率。

ADSL採用人們熟悉的頻分再使用(FDM)方法提供寬頻服務,同時支援傳統的‘普通電話服務’(POTS)網路。ADSL採用的FDM方法主要是離散多音(DMT)調變。DMT調變方法將大約1.1MHz的頻譜分成256個間距相等的子訊息通道或音調,每個子訊息通道佔5.3125KHz。在DMT頻譜中每個訊息通道都以獨立的訊息通道方式工作,並採用正交幅度調變(QAM)的調變方法來編碼數位資訊。

這些訊息通道除了用於數據傳輸外,還能用於獨立的網路管理或性能測試。較低頻率的訊息通道不用於傳輸訊號,一般留作保護頻寬以避免與處於頻譜低階的傳統POTS設備產生干擾。在緊鄰並高於這些保護訊息通道頻率的頻段,被分配的是少量用於上行數據傳輸的訊息通道,剩餘較高頻率的訊息通道則用於下行數據傳輸。就像V.32和V.34數據機等其它數據機技術一樣,ADSL數據機也需要採用回波抵銷技術解決上行和下行訊息通道的重疊問題。而要同時提供電話和數據業務就必須依靠低通濾波器或分離器來實現分離。

測試方法

為了提高ADSL的性價比,製造商需要提供能夠延長局端與用戶端距離的設備,這樣就可以減少終端點的數量,因而降低鋪設扇形用戶線所需的成本。另外,ADSL設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所使用的高階頻帶訊號造成多達90dB的衰減。因此,半導體製造商在ADSL設備的設計中通常會採用較高動態範圍和較低噪音指標的類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)。

在ADSL數據機中,類比前端(AFE)的噪音和線性性能是ADSL數據機能在較長纜線上獲得理想數據速率的關鍵所在。並不寬裕的噪音與線性設計餘量往往會提高測試的挑戰性,因為製造商需要提供更寬動態範圍和更高精密度的ADSL測試儀器,總之其測試成本要小於或至少等於前一代低性能ADSL設備的測試成本。

製造商可以採用單音測試方法來判定ADSL的純動態範圍、標準失真和噪音基底電平。這種直接測試方法足夠用來快速發現各種缺陷。單音測試方法對測試設備的訊息噪音比(SNR)比較有效。雖然ADSL轉換器的線性指標比較嚴格,但SNR仍然是確保ADSL正確工作所必需的重要元件參數。單音測試還能測得設備的總體諧波失真(THD)和無失真動態範圍(SFDR)。

在運算SNR後這些基本的動態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於它的效率來說是非常適中的。此外,許多業界領先的測試系統都提供預先做好的例程,以方便這些單音測試的開發。由於單音測試方法利用一套數據就能夠測試多個關鍵參數,因此大部份有缺陷的設備都通不過單音測試。

雖然靜態的線性測試是ADC規格的傳統內容,但對ADSL設備來說,不太適合用於設備的評估。ADSL ADC的高轉換速率通常會被高解析度所抵銷。這時需要擷取大量的數據,因而佔用大量的DSP運算時間。另外需要考慮的因素是ADSL設備中使用的高頻訊號,靜態線性測試與元件的動態響應會有很大的區別。

比較這類元件的各種測試可以發現,最有實際效果的仍然是基本的環路測試。工程師將發送器連接到接收器,然後檢查輸出端送出的編碼數據能否在輸入端得到正確解碼。雖然這種高度實用性的測試方法並不能提供複雜設計中隔離故障設備所必需的資訊,但它執行起來速度非常快,費用也最低。

IMD測試

雖然積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)等傳統的靜態線性測量方法非常重要,但它們不足以表現AFE的性能。對於ADSL設備來說,THD規格並不能提供足夠的有關DUT非線性如何影響輸入訊號的資訊。在多音ADSL中,整個頻寬的動態線性範圍決定了數據機的容量。

在非線性系統中,輸出訊號中會出現輸入訊號中並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訊號。交調分量是另外一種會嚴重影響訊號保真度的頻率分量。

當輸入訊號中包含有多個音調時就會產生交調失真(IMD),所產生的IMD與輸入音調頻率呈一種數學關係,並會在整個頻譜中擴散(如圖1所示)。一般來說,第3階分量對訊號的保真度影響最大。ADSL設備中使用的DMT調變方案是利用具有正常間距的多個正交訊號分量,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,此時必須仔細斟酌單音的選擇、DUT的取樣率和樣本數量,才能保証正確地從沒有頻率分量重疊的頻譜中擷取出必要的資訊。這樣做並不一定能正確表現出以整數為基礎的數學性能特徵;因此通常還會用到啟發式的方案或強迫方式的整數搜索。像ASL3000這樣先進的測試平台會提供具有高取樣率、訊號高保真度和時脈靈活性的儀表作業套件,這都是進行可接受的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)測量是最具挑戰性的測試工作。這種方法主要用來測試某個頻率點(槽位)的訊號功率,此時設備的激勵訊號應該由除了對應被測頻點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處產生大量的IMD分量。由於ADSL技術依賴於透過每個頻率頻點的獨立傳輸,因此這種測試方法能夠有效地評估被測元件的性能。在一個完整的MTPR測試中,所有256個頻率點都需要測量這樣的殘留功率。

測試方案

利用先進的測試平台可以非常方便地實現TOI和MTPR等測試。一些先進的混合訊號平台如Credence ASL 3000所提供的工具就能產生和觀察這些測試所需的正確波形。工程師可以利用內部的DSP功能自動執行FFT測試或找出訊號的幅度、相位和編寫C程式碼,並使用某些工具產生和觀察與這些測試有關的高精密度波形。這些先進的測試系統還能提供擴展解析度以及可靠完成複雜ADSL元件的靈敏度測量所需的精密度。

許多ADSL設備中的ADC和DAC動態性能特徵要求提高產生器和量化器的頻寬和解析度。例如,ADSL標準規定MTPR測試中的訊號電平只有1V rms,當這樣的訊號擴展到255個Bin時,在目標頻率Bin中測到的任何殘留訊號電平都非常低,因此通常要求16位的解析度才能確保測試的正確性。

過去,12位元ADC和DAC(72dB動態範圍)被認為比較適合DSL元件。雖然在大量產中14位元ADC和DAC被認為是最具實用價值,但在具有很多電子噪音的生產環境中採用16位元ADC和DAC顯然具有很大的風險。為了完成這些測試工作,測試儀的電氣環境要求噪音要很低,應該足夠支援96dB以上的動態範圍。另外,工程師要能夠產生訊號,並以非常低的抖動對DUT訊號實施取樣,因為在這樣的動態範圍內,抖動會直接轉換成被測試訊號上的等效噪音。圖2:多音測試時Bin內的殘留訊號。

Credence ASL 3000測試平台還有一個優點,即能夠測試ADSL設備的發送部份。除了其固有的靈敏度測量外,利用ASL 3000還能夠將發送訊號通過某個陷波器,以進一步改進特殊靈敏度測量下的動態範圍。同樣地,無失真動態範圍等其它一些關鍵的測量也能照此辦理。預置於這個測試儀器內的測試例程還有一個優點,即可快速完成測試程式。

利用ASL 3000測試平台可以簡化MTPR等複雜的測試工作。ASL 3000提供一個帶簡化測試例程的DSP庫。事實上,這個DSP庫與Credence Quartet測試系統提供的庫是相同的,因此可以簡化不同平台間的移植工作。過去,要產生ADSL測試所需的具有動態範圍的音調是十分困難的,而如今先進的波形產生器設備的出現也使之變得簡單了。多音測試用到的儀器要比其它測試複雜,在多音測試中不能使用濾波器,因此工程師通常需要仔細地權衡精密度和測試時間的關係。

IMD測試的設立一般要比其它測試複雜,幸運的是這些IMD測試只是增加了少量的額外測試時間,但高品質的測試結果使它物有所值。該類型的測試有助於工程師很好地理解設備的非線性,並更好地改善實際性能。

事實上,在最近一次Credence測試方法展示中,向Credence工程師提供的5個元件及其它裝置都通過了測試。當工程師用上述更高級的方法測試時發現,其中一個元件實際上是有缺陷的。一般來說,晚一些發現缺陷可能沒什麼太大影響,但如果那個產品元件透過正常管道銷售出去的話,就會影響到用戶對品牌品質的認知程度。

一體化設備

ASL 3000測試平台可以測試ADSL元件中用到的複雜調變訊號。它的高性能和高測試精密度非常適合用來測試高性能的ADSL元件,特別是在高吞吐量的多點配置中。對於具有整合類比前端和較多數量數位接腳的複雜混合訊號元件來說,測試工程師通常可以選擇Quartet、SZ M3650或Octet等測試系統。

Quartet能夠滿足具有大量數位接腳和類比前端並要求大動態範圍的混合訊號元件的低抖動測量要求。而SZ M3650則比較適合測試具有更多數位接腳的設計,因為這種情況下在提供測試訊號方面需要很大的靈活性。還有就是Octet,它支援對那些同時具有重要數位內容和嵌入式DSL元件的混合訊號元件的高吞吐量平行測試。除了這些產品化測試平台外,還有IMS Gemini MS等工程校驗系統還可提供加速複雜ADSL元件的晶片除錯速度所需的一些特殊功能。

在高級混合訊號測試儀中使用的先進技術提供了許多專用的資源,可以用來滿足複雜ADSL元件的多點測試所需的複雜單音、多音和IMD測試要求。充分利用這些豐富的測試方法,工程師可以從故障元件中擷取出重要的資訊,因而更好地理解性能問題和影響產量的因素。

換句話講,工程師也因此能更加專注於他們關心的那些特殊領域,取長補短,增強自己的開發能力,以提供更高性能和品質的ADSL產品。利用具有良好性價比的測試系統進行相對較少量的複雜測試,ADSL製造商就能獲得最大的吞吐性能和較低的測試成本,因而充分滿足快速發展的ADSL市場需求。

作者:Larry Dibattista


副總裁暨總經理

Chris Oberhauser


高級應用工程師


Credence系統公司




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