CN114051263A - 一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，包括四个射频信号采集卡，分别连接WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元以及NB‑loT测试单元，四个测试单元通过自定义通信接口模块与综合测试平台调度单元连接，综合测试平台调度单元与波形文件在线生成单元、协议分析单元以及人机界面UI连接。该综合测试平台采用了集中式调度管理与分布式测试相结合的设计理念，实现了对WIFI、Bluetooth、Zigbee等短距通信终端和NB‑IoT终端的射频一致性测试、协议性能测试，为这些终端的产线综测、终端产品性能测试验证等场景提供了一体化的测试平台，减少测试部署的复杂度，节约成本、提高测试效率。
Description
技术领域
本发明属于短距通信终端与窄带物联网终端测试技术领域，具体涉及一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台。
背景技术
随着短距通信技术和物联网技术的不断成熟以及人工智能产业的完善，使得智能终端、智能家居、智能汽车、智能制造、智慧工厂等一批新兴产业得到了快速发展。无线短距通信技术是构建基于智慧连接关键技术，实现了各种智能场景下现场设备级的入网连接，解决了现场设备通信的“最后100米”。窄带物联网作为一种基于蜂窝网络的全新物联网技术，于2020年7月纳入了5G标准体系，同时也成为“新基建”的重要组成部分。因此，国内NB-IoT商业应用将会迎来发展高峰。随着人们对智能设备的需求越来越强烈，基于各种通信协议和标准的终端多种多样，这必然给这些终端设备的生产测试和应用场景测试带来极大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，满足各种智能场景下各种通信协议和标准的智能终端的性能测试和指标测试，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，包括四个射频信号采集卡、WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-loT测试单元、综合测试平台调度单元、波形文件在线生成单元、协议分析单元、自定义通信接口模块以及人机界面UI；
四个射频信号采集卡分别连接WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee单元以及NB-loT测试单元，四个测试单元通过自定义通信接口模块连接综合测试平台调度单元，所述综合测试平台调度单元分别与波形文件在线生成单元、协议分析单元以及人机界面UI通信连接；
射频信号采集卡，用于将射频信号的收发转化为中频模拟信号；
WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-IoT测试单元，用于实现各个协议或标准的测试；
综合测试平台调度单元，用于负责整个测试业务的调度，根据用户设置的测试场景进行测试项配置、测试参数配置、测试功能选择、测试结果显示方式选择、日志与维测、线程管理、资源调度以及数据收发；
波形文件在线生成单元，用于按照用户测试要求配置波形文件信息并生成对应的ARB波形；
协议分析单元，用于负责在信令模式下的射频一致性测试或者是协议性测试下的信令流程的符标性分析以及统计吞吐量和误码率；
自定义通信接口模块是基于TCP/IP协议形成的自定义通信接口，用于承担各个多协议单元与综合测试平台调度单元之间的实时数据交互；
人机界面UI，用于将射频测试指标按照每种协议或标准规定的测试项的测试结果要求进行多视图显示，将协议交互的信令信息进行流程化的列表显示，测试参数的配置，测试情景的设置，波形文件设置与存储，测试过程状态信息的实时显示，测试结果的多文本格式保存。
进一步地，WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元以及NB-loT测试单元均由基带处理模块和协议栈模块组成；
基带处理模块，用于完成中频模拟信号的处理、每个协议或标准下对信号进行时域/频域/解调域的分析、结果数据上传、与综合测试平台调度单元进行控制流程交互、日志与状态维护；
协议栈模块，用于在协议测试的过程中完成基站小区的下行信号的发生、被测终端的随机接入与呼叫、数据与控制信息的交互，实现终端吞吐量的测试以及信令流程的符标性。
进一步地，基带处理模块由Zynq UltraScale+RFSoC芯片构成，芯片中的ADC/DAC和FPGA部分用于从射频信号采集卡之间传递的中频信号进行数字采集处理，芯片中的ARM部分用于测试流程控制以及与FPGA共同完成对信号的时域、频域和解调域的分析处理，并上报测试结果到综合测试仪平台调度单元，最终在人机界面UI上实时动态显示。
进一步地，每个测试单元均由两个CPU协同工作，完成对被测终端的非信令射频一致性测试和协议性能测试。
进一步地，射频信号采集卡由8Tx8Rx的开关矩阵模块、射频发射通道模块、射频接收通道模块、收发本振模块以及电源时基模块构成。
进一步地，射频发射通道模块包括两个本振输入端口，一个射频信号输出端口以及一个中频输入端口；所述本振输入端口包括一个6GHz的固定本振输入端口，一个扫频本振输入端口，分别采用射频钢缆与所述收发本振模块的两个信号输出端口连接；所述射频信号输出端口采用射频钢缆与开关矩阵模块连接；所述中频输入端口与相对应的测试单元中的基带处理模块的DAC端口连接。
进一步地，射频接收通道模块包括两个本振输入接口、一个射频信号输入端口以及一个中频输出端口；所述射频信号输入端口采用钢缆与开关矩阵模块相连接，通过快读的交替切换控制算法实现开关矩阵中8，路信号的快速接收；中频输出端口与测试单元中的基带处理模块的ADC端口连接。
进一步地，电源时基模块内设有FPGA，与测试单元中的基带处理模块的FPGA之间采用排线连接实现信号的控制，通信控制机制采用SPI通信协议；测试单元在测试过程中对所有射频模块的控制都经过基带处理模块中的FPGA进行控制命令透传，直接到达电源时基模块的FPGA中，实现通道的快速精准控制。
进一步地，射频信号采集卡引入8Tx8Rx开关矩阵实现8端口广播测试功能，并采用快速交错切换控制方法实现多路信号的快速接受分析。
进一步地，在协议性能测试场景下，射频一致性测试功能支持开启与关闭(即信令/非信令射频一致性测试)，实现射频一致性与协议性能测试同步并行测试。
本发明所带来的有益技术效果为：
该综合测试平台采用了集中式调度管理与分布式测试相结合的设计理念，实现了对WIFI、Bluetooth、Zigbee等短距通信终端和NB-IoT终端在各种通信协议和标准下的射频一致性测试和协议性能测试，为这些终端的产线综测、终端产品性能测试验证等场景提供了一体化的测试平台，减少测试部署的复杂度，仅从软件角度就能实现多元化的测试，简化了测试仪表或测试系统的设计难度，节约成本，提高测试效率。
满足短距通信终端与窄带物联网终端产线对测试仪表设备的需求。由于综合测试平台底层采用的是共享式的统一硬件模块，使得整个综合测试平台可根据用户的测试要求，可进行单一协议或标准、多协议多标准测试的构建。可广泛应用于各大短距通信终端和窄带物联网终端的生产厂商、芯片厂商和代工厂等。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明一种实施例中综合测试平台系统架构框图；
图2为本发明一种实施例中射频信号采集卡原理设计框图；
图3为本发明一种实施例中人机界面设计布局图；
具体实施方式
本发明提出了一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
整个综合测试平台如图1所示，从自上而下的角度划分来说，测试平台包括三部分：高层调度与应用业务处理部分，射频信号测试分析与协议处理部分以及底层射频信号采集部分。其中高层调度与应用业务处理部分由综合测试平台调度单元、波形文件在线生成单元、协议分析单元、自定义通信接口和人机界面UI构成、实现整个测试平台的测试业务调度、状态控制、资源分配、自定义测试场景的波形文件动态制作、协议性能分析以及友好的人机互动控制。射频信号测试分析与协议处理部分则是由各个测试单元(WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-IoT测试单元)构成。底层射频信号采集部分主要是射频信号采集卡，其主要由8Tx8Rx的开关矩阵模块、高性能的射频发射通道模块、高性能的射频接收通道模块、高性能的收发本振模块、电源时基模块构成。
一、高层调度与应用业务处理部分
综合测试平台调度单元、波形文件在线生成单元、协议分析单元、自定义通信接口和人机界面UI均运行在高性能的工业计算机上。综合测试平台调度单元负责整个测试业务的调度，可根据用户设置的测试场景进行测试项配置、测试参数配置、测试功能选择、测试结果显示方式、日志与维测，线程管理、资源调度、数据收发等。
①波形文件在线生成单元主要负责按照用户测试要求配置波形文件信息并生成对应的ARB波形。
②协议分析单元主要负责在信令模式下的射频一致性测试或者是协议性能测试下的信令流程的符标性分析以及统计吞吐量、误码率等。
③自定义通信接口是基于TCP/IP协议形成的自定义通信接口，承担了多协议测试单元与综合测试平台调度单元等之间的实时数据交互。
④人机界面UI主要负责将射频测试指标按照每种协议或标准规定的测试项的测试结果要求进行多试图显示；协议交互的信令信息进行流程化的列表显示；测试参数的配置、测试情景的设置、波形文件设置与存储、测试过程状态信息的实时显示、测试结果的多文本格式保存等等。友好、功能丰富的人机界面UI设计使得测试操作简短，提高测试效率。
整个人机界面如图3所示，上部区域为工具栏，主要是测试界面与系统桌面切换功能、波形文件打开功能、波形文件保存功能、帮助文档以及截图功能；界面中间大部分区域为测试参数显示、测试结果显示；界面的最下部为平台运行的状态信息显示等；界面右侧为各种参数配置软功能菜单按键。从整个界面布局来看，贴近用户测试需求，同一个时刻，从时域、频域和解调域三个角度展示测试结果。由于综合测试平台支持多终端多协议的并行测试，可通过界面属性页的选择在多个测试界面进行切换显示观察测试结果。
二、射频信号测试分析与协议处理部分
对于WiFi测试单元支持IEEE802.11a/b/g/n/ac/ax协议的射频指标测试；终端发射测试项包括发射功率、误差矢量幅度EVM、发射频谱模板、频谱平坦度、频率误差、IQ星座图等；终端接收机测试项包括接收机灵敏度。
Bluetooth测试单元测试单元支持Bluetooth 1.0/2.0/3.0/4.0/5.0协议终端射频指标测试分析；终端发射机测试项包含发射功率、功率与时间、频谱发射模板、频谱频率范围、频率漂移、误差矢量幅度EVM、频谱-20dB带宽、频谱邻道功率等；终端接收机测试项包括单间隙灵敏度和多间隙灵敏度测试、误包率测试、最大输入电平测量、误码率等。
Zigbee测试单元支持IEEE802.15.4协议的射频指标测试，其终端发射机测试项包括输出功率、中心频率容限、发射杂散、误差矢量幅度EVM、频谱发射模板等，终端接收机测试项包括灵敏度测试、最大输入电平测试、能量检测、链路质量测试等。
NB-IoT测试单元支持3GPP TS 36.521协议规定的射频一致性测试，其中终端发射机测试项包括矢量误差幅度EVM、幅值误差、相位误差、带内杂散、功率动态、IQ星座图、功率监测、邻道泄露抑制比ACLR、频谱发射模块等，终端接收机测试包括误码率测试、吞吐量测试等。
每个测试单元均由两个CPU协同工作，完成对被测终端的射频一致性测试和协议性能测试，在协议性能测试模式下，射频一致性测试功能支持开启与关闭(即信令/非信令射频一致性测试)，实现射频一致性与协议性能测试同步并行测试。；每个测试单元内部包含基带处理模块和协议栈；
①基带处理模块主要完成中频模拟信号的处理(采集和发生)、每个协议或标准下对信号进行时域/频域/解调域的分析、结果数据上传、与综合测试平台调度单元进行控制流程交互、日志与状态维护等；
基带处理模块由Zynq UltraScale+RFSoC芯片构成，芯片中的ADC/DAC和FPGA部分用于从射频信号采集卡之间传递的中频信号进行数字采集处理，芯片中的ARM部分用于测试流程控制以及与FPGA共同完成对信号的时域、频域和解调域的分析处理，并上报测试结果到综合测试仪平台调度单元，最终在人机界面UI上实时动态显示。
在协议性能测试模式下，基带处理模块需要切换到综合测试分析状态，作为协议栈的一个组成部分，透传采集的原始IQ数据到协议栈，帮助协议栈与被测终端之间实现实时的信令交互，同时兼顾对信号的时域、频域和解调域的分析。
在射频一致性测试模式下，基带处理模块中的片上ARM完成测试单元内部的测试流程控制，测试线程调度、测试参数解析与配置、测试结果的计算，测试日志的维护等。
基带处理模块中的FPGA接收通路根据上层配置信号触发方式(一般为中频功率触发)，实现信号的同步采集。同步方式分为、粗同步和精同步两种，其中粗同步满足功率触发阈值后，FPGA直接以30.72MH的采样率开始采集数据，不断的存储在DDR中，供片上ARM进行提取分析。通过片上ARM和FPGA的协同控制算法以及DRR缓存技术，几乎可以实现边采集边计算分析。基带处理模块中的FPGA发射通路则采用ARB文件播放的形式实现；一般均会根据用户测试需求提前生成，若有新的测试需求，亦可由上层波形文件在线生成单元同步生成后下发到基带处理模块中的FPGA。
②协议栈主要实现简化版的基站功能，目的是在协议测试的过程中完成基站小区的下行信号的发生、被测终端的随机接入、呼叫、数据与控制信息的交互，实现终端吞吐量的测试以及信令流程的符标性。每个测试单元(WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-IoT测试单元)中的基带处理模块是一块板卡、协议栈模块是一块板卡，两块板卡间通过接插件扣在一起形成一个完成的整体。
三、底层射频信号采集部分
射频采集卡的设计原理框图如图2所示。高性能的射频发射通道模块有两个本振输入端口、一个射频信号输出端口和一个中频输入端口；本振输入端口包含一个为6GHz的固定本振输入端口、一个为扫频本振输入端口，采用射频钢缆分别与本振模块的两个信号输出端口连接。射频信号输出端口也采用射频钢缆与开关矩阵模块相连接。中频输入端口与测试单元中的基带处理模块的DAC端口连接。高性能射频接收通道也有射频发射通道模块类似的两个本振输入端口、一个射频信号输入端口和一个中频输出端口，其中射频信号输入端口采用钢缆与开关矩阵模块相连接，且通过快速的交替切换控制算法实现开关矩阵中8路信号的快速接收，中频信号的输出端口与中频输入端口与测试单元中的基带处理模块的ADC端口连接。电源时基模块中也有一块常规的FPGA，与测量单元中的基带处理模块的FPGA之间采用排线连接实现信号的控制，通信控制机制采用SPI通信协议。测试单元在测试过程中对所有射频模块的控制都经过基带处理模块中的FPGA进行控制命令透传，直接到达电源时基模块的FPGA中，实现通道的快速精准控制。
该射频采集卡采用了小型化和模块化的设计思路，其大小为标准1U机箱的大小，可在综合测试平台上实现多台硬件的并行外挂，增加综合测试平台的测试并行测试能力，同时引入了8Tx8Rx开关矩阵实现了8端口广播测试功能，并采用快速交错切换控制方法实现多路信号的快速接收分析，减少了射频通道的使用数量，降低了射频通道间的信号串扰，提高测试指标准确性和稳定性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，包括四个射频信号采集卡、WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-loT测试单元、综合测试平台调度单元、波形文件在线生成单元、协议分析单元、自定义通信接口模块以及人机界面UI；
所述四个射频信号采集卡分别连接WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee单元以及NB-loT测试单元，四个测试单元通过自定义通信接口模块连接综合测试平台调度单元，所述综合测试平台调度单元分别与波形文件在线生成单元、协议分析单元以及人机界面UI通信连接；
所述射频信号采集卡，用于将射频信号的收发转化为中频模拟信号；
所述WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元、NB-IoT测试单元，用于实现各个协议或标准的测试；
所述综合测试平台调度单元，用于负责整个测试业务的调度，根据用户设置的测试场景进行测试项配置、测试参数配置、测试功能选择、测试结果显示方式选择、日志与维测、线程管理、资源调度以及数据收发；
所述波形文件在线生成单元，用于按照用户测试要求配置波形文件信息并生成对应的ARB波形；
所述协议分析单元，用于负责在信令模式下的射频一致性测试或者是协议性测试下的信令流程的符标性分析以及统计吞吐量和误码率；
所述自定义通信接口模块是基于TCP/IP协议形成的自定义通信接口，用于承担各个多协议单元与综合测试平台调度单元之间的实时数据交互；
所述人机界面UI，用于将射频测试指标按照每种协议或标准规定的测试项的测试结果要求进行多视图显示，将协议交互的信令信息进行流程化的列表显示，测试参数的配置，测试情景的设置，波形文件设置与存储，测试过程状态信息的实时显示，测试结果的多文本格式保存。
2.根据权利要求1所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述WiFi测试单元、Bluetooth测试单元、Zigbee测试单元以及NB-loT测试单元均由基带处理模块和协议栈模块组成；
所述基带处理模块，用于完成中频模拟信号的处理、每个协议或标准下对信号进行时域/频域/解调域的分析、结果数据上传、与综合测试平台调度单元进行控制流程交互、日志与状态维护；
所述协议栈模块，用于在协议测试的过程中完成基站小区的下行信号的发生、被测终端的随机接入与呼叫、数据与控制信息的交互，实现终端吞吐量的测试以及信令流程的符标性。
3.根据权利要求2所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述基带处理模块由Zynq UltraScale+RFSoC芯片构成，芯片中的ADC/DAC和FPGA部分用于从射频信号采集卡之间传递的中频信号进行数字采集处理，芯片中的ARM部分用于测试流程控制以及与FPGA共同完成对信号的时域、频域和解调域的分析处理，并上报测试结果到综合测试仪平台调度单元，最终在人机界面UI上实时动态显示。
4.根据权利要求2所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，每个测试单元均由两个CPU协同工作，完成对被测终端的射频一致性测试和协议性能测试。
5.根据权利要求1所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述射频信号采集卡由8Tx8Rx的开关矩阵模块、射频发射通道模块、射频接收通道模块、收发本振模块以及电源时基模块构成。
6.根据权利要求5所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述射频发射通道模块包括两个本振输入端口，一个射频信号输出端口以及一个中频输入端口；所述本振输入端口包括一个6GHz的固定本振输入端口，一个扫频本振输入端口，分别采用射频钢缆与所述收发本振模块的两个信号输出端口连接；所述射频信号输出端口采用射频钢缆与开关矩阵模块连接；所述中频输入端口与相对应的测试单元中的基带处理模块的DAC端口连接。
7.根据权利要求5所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述射频接收通道模块包括两个本振输入接口、一个射频信号输入端口以及一个中频输出端口；所述射频信号输入端口采用钢缆与开关矩阵模块相连接，通过快读的交替切换控制算法实现开关矩阵中8，路信号的快速接收；中频输出端口与测试单元中的基带处理模块的ADC端口连接。
8.根据权利要求5所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述电源时基模块内设有FPGA，与测试单元中的基带处理模块的FPGA之间采用排线连接实现信号的控制，通信控制机制采用SPI通信协议；测试单元在测试过程中对所有射频模块的控制都经过基带处理模块中的FPGA进行控制命令透传，直接到达电源时基模块的FPGA中，实现通道的快速精准控制。
9.根据权利要求5所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，所述射频信号采集卡引入8Tx8Rx开关矩阵实现8端口广播测试功能，并采用快速交错切换控制方法实现多路信号的快速接受分析。
10.根据权利要求1所述的一种无线短距通信终端与窄带物联网终端综合测试平台，其特征在于，在协议性能测试场景下，射频一致性测试功能支持开启与关闭，实现射频一致性与协议性能测试同步并行测试。
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