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混合信号ATE中的数字信号压缩

Daniel Rosenthal?? 3 dB Consulting?? 2009年02月11日 ?? 收藏0

  信号压缩对用于混合信号ATE(自动测试设备)系统是一种有吸引力的技术,因为它可以降低测试成本,同时改善测试设备性能。遗憾的是,有些系统的设计者仍然坚持采用未压缩的固定速率线性编码,混合信号ATE就是这些最后遗留的系统之一。

  制造商普遍在老式模拟测试设备上进行信号压缩,然后接受并处理所产生的误差范围和不确定性。但当AWG(任意波形发生器)、数字化仪和DSP(数字信号处理器)一起组合成混合信号测试设备时,业内很多人开始将数字域信号看作是绝对精确的。

  与之相反,其他类型基于DSP系统的制造商已接受了更有效的编码技术:电信系统长期使用着语音频段的编码(ADPCM,或自适应差分脉冲编码调制);成像系统采用JPEG编码、视频采用MPEG;音频系统当然是用无处不在的MP3格式。这些压缩编码技术的应用实现了数字媒体分发的经济性。

  混合信号ATE的信号压缩有很多好处。最明显的一点就是,信号压缩有助于制造商构建一个使用更少存储器的系统,因此能降低系统成本。相反,这种优势可能转变为获得更好波形的能力。压缩可以降低所需信号互连的数目和质量,这种互连要消耗ATE系统相当多的空间和材料成本。另外,4:1的压缩也可以提升当前互连的有效性能,使一个5GHz的基础设施能够支持20GHz的仪器。

  带宽与奈奎斯特

  ATE系统的带宽由奈奎斯特定理给出,该定理涉及模拟信号(带宽 < Fs/2,其中Fs是采样频率)和量化噪声限制SNR(信噪比)。例如,SNR(单位dBfs,满度分贝)= 6.02 ENOB + 1.76,其中ENOB是有效位数。不过,抗混叠与重构滤波器都需要使用更高的过采样速率,从而进一步增加了存储器容量和互连的带宽。

  有些系统采用了块浮点或抽取等DSP技术,但这些方法也不能接近奈奎斯特要求的理想采样速率。

  混合信号ATE系统的设计者一般仍然偏爱未压缩的固定速率线性编码。坚持采用信号压缩的工程师们经常关注几个主要问题:测量精度和不确定性,这是压缩方法处理任意(和未知)测量的能力,以及将压缩算法集成到一个系统中的方便性。但是,今天商用信号压缩算法能很容易地解决这些问题,因此设计者应毫不犹豫地在自己的混合信号测试设备中采用压缩技术。

  举例来说,在最基本的水平上,一些压缩算法都能完成无损压缩,能从压缩信号中恢复原始信号。虽然采用无损压缩不会影响测量精度和不确定性,但获得的压缩率可以大大降低系统成本和空间。无损压缩实现这一目标的一个混合信号测试实例是全码DAC(数模转换器)线性测试,其中的数千个采样被减少到一或两个数,用于表示待测器件最差情况的积分或差分线性。测量的完整性取决于准确保存的测试参数,而不是单个模拟采样。

  压缩算法的测试

  当采用Samplify Systems工作时,我帮助该公司主持了对其商用信号压缩算法的测试。采用了该算法的DAC线性测试(图1)实现了对模拟数据的5:1无损压缩率,而没有损失精度或不确定性。我们在评估信号中包含了-90 dBfs级的噪声和0.1%的非线性,以接近实际器件的误差和ATE系统噪声。

图1无损压缩减少了DAC线性测试中所需的存储器而不会影响精度或增加不确定性

  与其他压缩技术一样,采用有损压缩(即原始信号有“损失”,不可能完全恢复)可以大大增加压缩率,而用户感觉不到损失。在Samplify算法的另一个测试中,我们测量了一个模仿高速串行数据信号的抖动,使用一个有噪声方波的测试信号来增加抖动(σ = 1采样)。分析数据的方法是估算相对时间的零交叉概率分布函数,继而导出概率密度函数。然后测量出标准偏差,提供一个RMS(均方根)抖动的估值(图2)。

图2对于一个串行数据测试信号采用8:1有损压缩时引起的抖动误差变化不到3

  在本例中,8:1有损压缩得到的抖动误差测量值变化不到3%。需要注意,一旦完成量化,数据压缩过程带来的不确定性就可以在系统级得到控制,就像其他任何误差项一样。在这些例子中,误差当然是可以接受的。

  这两个例子涉及了特定类型的混合信号测量,即压缩实现了必须接受的结果。尽管有些工程师担心,如果信号是未知的或任意的,压缩是否可以获得有意义的结果。毕竟在AWG和数字化仪上作混合信号ATE仪器的原始动机是:使工程师只需修改DSP算法就满足新的测试,而不需要安装新的测试硬件。同样,由于重构滤波器和抗混叠滤波器的实用性,这些可重新配置的系统必须在一种过采样模式下工作,而测试程序设计者仍必须为待测信号开发定制的重采样DSP算法。为实现接近奈奎斯特速率的采样速率,这些重采样算法会变得十分复杂。

  由于压缩对待测信号是透明的,当压缩驻留在数字化仪中,AWG作解压时,就不再需要针对每个测试和信号集定制DSP算法。虽然压缩率可能随生成或测量的测试信号而变化,但压缩可以降低比特率,从而达到或超过理想奈奎斯特采样的比特率。

图3虽然压缩率可能随生成或测量的测试信号而变化但对这个模拟OFDM波形的压缩可降低比特率以达到或改善理想的奈奎斯特采样

  例如,图3是一个模拟OFDM(正交频分复用)波形,用于测试一个WiMAX基带SoC(系统单芯片)器件。一般情况下,ADC(模数转换器)工作在信号中心为Fs/4的2X过采样下。无损压缩实现了2:1的压缩率,与理想奈奎斯特采样率相当。不过,由于SoC上的ADC可能只有九个有效的分辨率位,使压缩算法工作在一个54dB SNR的固定质量模式,可以实现3:1的压缩率。


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混合信号? ATE中? 数字信号?

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