Als Verbraucher freuen wir uns über jede drahtlose Innovation, die auf den Markt kommt, wie zum Beispiel, als wir erstmals unser Heimthermostat von einem Smartphone aus steuern konnten und jetzt Anrufe von einer Uhr entgegennehmen können. Für uns gilt: Je vernetzter das Gerät ist, desto besser. Wenn wir jedoch den Standort wechseln, vom Verbraucher zum Testingenieur oder vom Verbraucher zum Produktionsleiter, schlägt diese Freude schnell in Angst um. Wir sind besorgt darüber, die Produktqualität angesichts der zunehmenden Komplexität und des Drucks, die Testkosten zu senken, garantieren zu können.
Wir kennen die Statistik. Derzeit übersteigt die Gesamtzahl der Mobilfunkverbindungen auf der Welt die Gesamtzahl der Menschen. Für die Zukunft prognostiziert ABI Research, dass es bis 2020 mehr als 40.000 Milliarden drahtlos verbundene Geräte geben wird. In ähnlicher Weise prognostizierte die GSMA kürzlich, dass bis 2020 9.000 Milliarden Mobilfunkgeräte mit unserer Telefoninfrastruktur verbunden sein werden.
Die zunehmende Verbreitung drahtloser Geräte verändert die Kostendynamik bei der Herstellung drahtloser Geräte grundlegend. Die Hersteller stehen unter dem Druck, die Produktionskosten drastisch zu senken und die Kapazität zu erhöhen. Drahtlose Geräte werden jedoch immer komplexer. Infolgedessen treibt die Notwendigkeit, die Testkosten zu senken, weiterhin bedeutende Innovationen in der Test- und Messbranche voran. Dieser Marktdruck hat nicht nur dazu geführt, dass die Gerätekosten gesenkt werden müssen, sondern auch zu neuen Testtechniken geführt.
Erhöhte Wireless-Komplexität
Eine erhöhte Vorrichtungskomplexität erhöht die Testkomplexität und erhöht ohne Testinnovation die Testkosten. In den letzten 20 Jahren ist eines der aufschlussreichsten Beispiele für die zunehmende Gerätekomplexität in der Anzahl der Mobilfunkbänder und -standards zu sehen, die in einem Mobilgerät verwendet werden.
Im Jahr 2000 war es normal, dass ein Mobiltelefon zwei GSM-Bänder unterstützte. Vor 2005 verwendeten Mobiltelefone zusätzlich zu Bluetooth und Wi-Fi-Technologie vier GSM-Bänder (vermarktet als „World Band Phones“). Vor 2010 begann die UMTS-Technologie, GSM/EDGE-Funk zu erweitern. Darüber hinaus erforderte das UMTS-Testen völlig neue Testfälle. Der Trend zur zunehmenden Komplexität der drahtlosen Kommunikation hat sich in den letzten fünf Jahren mit der Veröffentlichung von LTE, 802.11n/ac und sogar NFC fortgesetzt.
Bis 2020 wird die Gerätekomplexität voraussichtlich weiter zunehmen. Andere Wi-Fi-Technologien wie 802.11p, 802.11ad, 802.11ah und 802.11ax sind in der Branche möglicherweise noch weit verbreitet. Zudem dürfte die fünfte Mobilfunkgeneration Testschwierigkeiten mit sich bringen, die weit über die von LTE hinausgehen.
5G wird derzeit anhand von Millimeterwellen, neuen Arten von Wellenformen, neuen Netzwerktopologien und massivem MIMO untersucht. Wenn entweder Millimeterwellen oder Massive MIMO als Teil des offiziellen 5G-Standards übernommen werden, wird das Testen mobiler Geräte erheblich schwieriger und teurer. Genauer gesagt erfordern diese drahtlosen Technologien, dass Testorganisationen die vorhandene Testinfrastruktur aufrüsten, um größere Signalbandbreiten, höhere Frequenzen und mehr Antennenanschlüsse zu unterstützen. Diese Testanforderungen kommen natürlich zusätzlich dazu, dass 5G auch neue Testfälle hinzufügen wird.
Reduzierung der Wireless-Kosten
Während die Komplexität drahtloser Geräte weiter zunimmt, sinken die Kostenerwartungen für die drahtlose Technologie weiter. 1983 wurde das erste kommerzielle Mobiltelefon, das Motorola DynaTAC 8000x, für 3.995 US-Dollar verkauft, was nach heutigem Wert fast 10.000 US-Dollar entspricht. Vor 1990 kostete ein Mobiltelefon weniger als 1.000 US-Dollar, und vor 2000 kostete ein Handy der unteren Preisklasse etwa 200 US-Dollar.
Obwohl sich die Rückgangsrate von Mobiltelefon-ASPs (Application Service Providers) aufgrund des steigenden Werts von Mobiltelefonen verlangsamt hat, sinken die Preise für allgemeine drahtlose Dienste weiter. Ein Beispiel, das dies gut veranschaulicht, war der 39-prozentige Rückgang der ASP von Nokia-Telefonen von 2005 bis 2009, einem Zeitraum, in dem Smartphones einen relativ geringen Prozentsatz der ausgelieferten Einheiten ausmachten.
Einer der aussagekräftigsten Indikatoren für „Wireless-Kosten“ ist die Bewertung des ASP von Halbleiterkomponenten. Tatsächlich sagen aktuelle Marktprognosen von Databeans, Inc. und IC Insights voraus, dass der ASP für analoge ICs von Mobilgeräten von 30 bis 2011 um mehr als 2019 Prozent zurückgehen wird.
Die Schwierigkeit beim Testen drahtloser Geräte erfordert jedoch eine Testart, die extremer ist als eine bloße 30-prozentige Verbesserung der Testeffizienz. Tatsächlich muss die Testeffizienz zusammen mit einer großen Zunahme der Gerätekomplexität die Herausforderungen der Testkomplexität und der objektiven Testkosten überwinden.
Faktoren wie zunehmende Mobilfunkbänder, neue Wellenformtypen und mehr Wi-Fi-Konfigurationen führen immer zu mehr Testfällen. Die eigentliche Herausforderung für die heutigen Testingenieure besteht also nicht darin, die gleiche Anzahl von Testfällen für 30 Prozent weniger zu validieren, sondern 10 bis 100 weitere Testfälle für mindestens 30 Prozent weniger zu validieren.
Die Auswirkungen auf den Test
Während die Idee von leistungsstärkeren, kostengünstigeren und vernetzteren drahtlosen Geräten uns als Verbraucher sicherlich anspricht, verändert sie die Art und Weise, wie drahtlose Geräte getestet werden, erheblich.
Vor einem Jahrzehnt erforderte das Testen von Mobiltelefonen ein Tool, um buchstäblich einen mobilen Anruf mit dem mobilen Gerät zu tätigen. Diese Technik, die jetzt als "Token-Test" bezeichnet wird, erfordert zuerst den Aufbau einer Verbindung, bevor der Test ausgeführt werden kann. In einigen Fällen kann die Telefonkalibrierung und der Test 10 Minuten oder länger dauern.
In jüngerer Zeit hat sich die Mobiltelefonindustrie zur Verwendung von „Kein-Signal-Tests“ entwickelt. Auf diese Weise kann ein PC über eine digitale Schnittstelle eine Reihe von Befehlen an das mobile Gerät senden, um in einen "Testmodus" einzutreten. Obwohl sich Tests ohne Signal als schneller bei der Geräteprüfung erwiesen haben, entwickeln Ingenieure weiterhin Innovationen mit schnelleren Testmethoden.
Heutzutage arbeiten Anbieter von Wi-Fi- und Mobiltelefonchips zunehmend mit Anbietern von Testgeräten zusammen, um schnellere Wireless-Tests zu ermöglichen. Beispielsweise sequenzieren neue „Schnellsequenzierungsmodi“ auf modernen drahtlosen Chips mit mehreren Testfällen schneller. Diese Technik kann mit schnelleren Instrumenten kombiniert werden, um ein drahtloses Gerät schneller und kostengünstiger zu testen.
In Zukunft wird die nächste große Innovation beim Wireless-Testen die Verwendung von Pipeline- oder weitgehend parallelen Testarchitekturen sein. Diese Architekturen reduzieren die Herstellungskosten, indem sie es Herstellern ermöglichen, mehrere Geräte parallel zu testen, um Kapitalanlagen besser zu nutzen. Derzeit findet eine branchenweite Umstellung statt, um 1-up- (Testen eines Systems mit jeweils einem Gerät) oder 2-up-Teststationen durch kostengünstigere 4-up- und 8-up-Alternativen zu ersetzen. In naher Zukunft werden Systeme, die weniger als 16 oder 32 Geräte parallel testen, nicht mehr rentabel sein.
Eine innovative Methode zur Durchführung von Wireless-Tests
Um diese Probleme anzugehen, hat NI das Wireless Test System (WTS) eingeführt, das die neuesten Fortschritte in der PXI-Instrumentierung mit flexibler eingebetteter Software und Switching umfasst. Dieses Tool wurde für Fertigungstests in großen Stückzahlen für eine Vielzahl von drahtlosen Technologien entwickelt, von LTE Advanced bis 802.11ac oder Bluetooth Low Energy.
Intern verwendet das WTS den Vektorsignal-Transceiver (VST) von NI, der einen Vektorsignalgenerator (VSG) und einen Vektorsignalanalysator (VSA) auf demselben Modul kombiniert. Neben VST umfasst WTS auch Multiport-Switching für Multiport- oder parallele Testanwendungen. Mit eingebautem Switching können Ingenieure das VST in zahlreichen Konfigurationen konfigurieren, von 8-Up-Paralleltests bis hin zu 4×4-MIMO-WLAN-Zweifunk-Paralleltests.
WTS umfasst ein einzigartiges Softwareerlebnis, das für Tests in der Massenfertigung entwickelt wurde. Obwohl das WTS intern ein PXI-System ist, können Ingenieure es extern mithilfe von SCPI-Befehlen auf einer Remote-Ethernet-Schnittstelle automatisieren, was die Integration in eine vorhandene Testinfrastruktur vereinfacht.
Für Ingenieure, die neue Testsysteme entwickeln, wird die WTS-Benutzererfahrung durch die Integration in die Test-Executive-Software NI TestStand unterstützt. Tatsächlich enthält das Wireless-Testmodul von TestStand integrierte Befehlssätze zur Steuerung spezifischer Wireless-Chips und Beispielcode für typische Tests.
Schließlich arbeitet das WTS mit Hochleistungs-Multi-Core-CPUs und FPGAs für branchenführende Messgeschwindigkeit. Frühe WTS-Kunden konnten die Testkosten senken, indem sie die Geschwindigkeit der WTS-Tests mit fortschrittlichen parallelen Testtechniken kombinierten. „Mit WTS haben wir unsere Testkosten um mehr als 25 % gesenkt“, erklärte der Testteamleiter von peiker acustic kürzlich beim Test von Multistandard-LTE/WLAN/GPS-Geräten.
die Zukunft
Da die Gerätekomplexität zunimmt, wird das Testen drahtloser Geräte weiterhin neue Techniken zum Testen und Messen erfordern. Olga Shapiro, Analystin bei Frost & Sullivan, erklärte kürzlich: „Um auch in Zukunft profitabel zu bleiben, müssen Unternehmen ihre Wireless-Testtechnik überdenken und neue Paradigmen annehmen.“
Glücklicherweise hat es in den letzten zehn Jahren erhebliche Verbesserungen bei wichtigen Instrumentierungstechnologien wie CPUs, FPGAs, VCOs, DACs und ADCs gegeben. Diese Verbesserungen ermöglichen modernen Testgeräten nicht nur eine immer bessere analoge Leistung, sondern auch eine immer schnellere Messgeschwindigkeit.
Es überrascht nicht, dass ein Teil der Lösung für zukünftige Wireless-Testherausforderungen darin besteht, superschnelle Instrumente, eine neue Wireless-Testtechnik und das technische Know-how zu kombinieren, um alles zusammenzubringen.
Glücklicherweise bringt der Bedarf an Testinnovationen neue Lösungen hervor, und NI ermutigt Ingenieure, sich keine Gedanken mehr über Tests zu machen und sich wieder an den 40.000 Milliarden vernetzten drahtlosen Geräten zu erfreuen, die es bald geben wird.
