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無線射頻（RF）產品的五大測試挑戰：OEMs 面臨的關鍵問題


無線射頻（RF）產品的五大測試挑戰：OEMs 面臨的關鍵問題


隨著無線技術在消費電子、汽車、國防和航空航太等領域的快速發展，無線射頻（RF）產品的測試工作逐漸面臨越來越複雜且充滿挑戰的測試需求，RF 技術的應用從傳統通訊拓展到高頻、超寬頻（UWB，Ultra-Wide Band）和多標準環境中，這也讓設備製造商（OEMs）和測試設備供應商面臨更加嚴苛的技術需求與挑戰，以下將詳細探討 RF 測試的五大挑戰及其解決方案。
 

挑戰 1：更高頻率的應用需求

隨著汽車雷達等消費技術的迅速普及，設備製造商（OEMs）和其他製造商正積極尋求並整合必要的儀器與基礎設施，以確保對這些使用 W 波段頻率範圍（75 至 110 GHz）的量產設備進行全面測試；然而，W 波段的應用過去通常僅限於衛星、軍事雷達及其他高度專業化的用途，因此像 77 GHz 這樣的新興汽車雷達標準尚未被廣泛採用；迄今為止，相關測試設備大多高度專業化且價格昂貴。


挑戰原因

  1. 測試設備不足：
    W Band 測試儀器過去僅針對專業應用設計，供應有限且價格昂貴。
  2. 頻率相關問題：
    在更高頻率下，訊號衰減和干擾問題更加嚴重，對測試環境及設備的要求變得更為嚴苛，增加了測試的複雜性。
  3. 市場需求增加：
    隨著高頻應用（如汽車雷達、5G 技術等）的快速普及，測試需求呈現爆炸式增長，而現有測試設備在滿足量產需求方面顯得力不從心。


解決方案

  1. 發展經濟型設備：
    開發適合消費市場的低成本 W Band 測試設備，例如支援頻譜分析和訊號產生功能的儀器，以降低技術門檻並擴大應用範圍。
  2. 軟體定義無線電（SDR，Software Defined Radio）：
    採用可編程硬體技術，使測試設備具備更高的靈活性和可擴展性，從而大幅降低成本並提升適應性。
  3. 標準化平台：
    建立統一的測試標準，促進不同應用場景下資源的高效共享，從而提高測試效率並減少重複投資。


相關觀點

「便攜式測量能力隨著全球汽車雷達系統數量的增加，將成為汽車製造商和維修站不可或缺的工具。」
– Jack Browne, Microwaves & RF website
 

挑戰 2：更多的 RF 標準，卻資源更少

為了搶佔市場份額，產品設計師在智慧型手機和車載資訊娛樂系統等熱門消費設備中加入了更多的互操作性功能，這表示產品設計師需要考慮更多的無線射頻（RF）標準、連接需求、協定更新、資料交換以及安全敏感性問題。
 多樣化的無線通訊技術應用場景，這些技術協同支持設備之間的連接與資料交換，以滿足現代消費設備的互操作性需求。
多樣化的無線通訊技術應用場景，這些技術協同支持設備之間的連接與資料交換，以滿足現代消費設備的互操作性需求。

因此，產品驗證和測試團隊面臨著涵蓋多種新技術及其不斷擴展的使用案例的巨大壓力，同時，這些部門還需應對越來越嚴苛的預算和資源限制，以及在競爭對手之前將產品推向市場的壓力。


挑戰原因

  1. 多重標準整合困難：
    不同 RF 標準的測試需求差異巨大，這不僅使測試的設計和執行變得複雜，也增加了整合測試工具和方法的挑戰。
  2. 更新速度快：
    新標準和協定的版本快速迭代，因此測試計劃和設備需要達到更高靈活性要求，同時也加重了測試團隊的負擔，導致時間壓力和資源需求同步增加。
  3. 資源限制：
    測試團隊需要在有限的預算和資源下完成日益複雜的測試任務，這不僅需要優化現有的資源分配，還需要兼顧測試的全面性和效率。


解決方案

為應對上述挑戰，可以採取以下幾個具體的解決方案：
  1. 自動化測試：
    開發專門的自動化測試平台，這些平台能夠支援多標準和多協定的快速測試，不僅可以減少人工干預，還能提高測試的準確性和效率，特別是在應對多標準同時測試的情況下。
  2. 模組化測試設備：
    設計可升級的硬體架構，使測試設備能夠靈活適應標準和協定的快速更新需求，模組化設計的設備還可以幫助延長設備的使用壽命，降低整體測試成本，並減少因技術更新而造成的資源浪費。
  3. 跨部門協作：
    建立一個統一的測試資源共享平台，促進不同部門之間的合作，整合內部的測試資源和專業知識，減少重複投資；同時，這種協作模式還可以幫助團隊在面對快速變化的測試需求時更加高效，並提升整體生產力。


相關觀點

「今天的手機擁有的計算能力超過 1969 年 NASA 登月時的所有計算能力。」
– Michio Kaku, Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100


挑戰 3：增加的測試時間和更慢的產能

無線射頻（RF）標準的激增對產品測試帶來了巨大挑戰，導致測試節奏時間（Takt time）延長以及生產效率下降，由於待測物（DUT/UUT）的測試需求越來越多且複雜，每個 DUT 的處理時間也不斷增加，因此，如何優化測試基礎設施並制定更高效的測試策略成為重點。

然而，目前大多數測試設備的設計僅能同時處理一到兩個 DUT，這在需要快速提升生產能力的情況下形成了明顯的限制，測試站的硬體、布線和治具（fixtures）往往缺乏靈活性，進一步導致以下問題：生產瓶頸、測試站升級耗時、以及昂貴測試資源（如 RF 測試儀器）的低效利用。
 
圖中展示了一個多站點測試系統，能同時測試多個待測物（UUT），測試系統連接不同產品的測試模組
圖中展示了一個多站點測試系統，能同時測試多個待測物（UUT），測試系統連接不同產品的測試模組，每個模組包含多個 UUT；這種架構顯示了多站點測試如何提升測試效率，支援不同產品的並行測試，從而縮短測試時間並增加產能。


挑戰原因

  1. 流程不靈活：
    大多數現有的測試設備僅能處理單一或少量 DUT，導致測試效率低下，無法滿足大規模生產的需求。
  2. 設備更新成本高：
    升級測試站的硬體和治具（fixtures）需要大量資金與時間，影響測試站的快速適應能力。
  3. 人工依賴性強：
    測試過程中對人工操作的依賴性過高，導致測試結果易出現不一致性，進而影響整體生產效率與品質。


解決方案

  1. 多站點測試（Multi-site/multi-up testing）：
    構建能同時處理多個 DUT 的測試站，顯著提升測試效率並縮短單位測試時間。
  2. 平行與批量測試（Parallel and batch testing）： 
    編寫支援自動化多站點測試的測試計畫，實現同時測試多個設備，進一步提升生產效率。
  3. 軟體定義儀器（Software-defined instruments）： 
    使用靈活、可編程的 RF 儀器（如 FPGA），取代傳統堆疊式儀器，降低硬體成本並提升設備靈活性。
  4. 可更換的智慧型治具（Swappable, intelligent fixtures）：
    將更多測試功能整合到產品專用的治具中，提升測試設備的靈活性並減少設備切換時間。
  5. 通用測試平臺（Implementing a common test platform）： 
    採用快速適應多種產品的通用測試架構，實現測試設備的高效資源共享，進一步降低資本開支。
  6. 流程自動化/機器人技術（Process automation/robotics）：
    透過自動化技術或機器人應用減少人工干預，降低測試結果的變異性，同時提升測試穩定性和效率。

透過上述解決方案，企業可以有效解決生產瓶頸問題，大幅提升測試效率，同時，這些方法還能降低測試成本，縮短產品的上市時間，從而幫助企業在競爭激烈的市場中占得先機；這些策略不僅有助於提升生產效能，還能推動測試技術的進一步革新，為未來的無線射頻產品測試奠定堅實的基礎。
 

挑戰 4：捕捉大範圍即時頻寬

隨著越來越多的應用開始使用更高頻率，無線射頻（RF）技術面臨著全新的挑戰，許多專業的 RF 應用項目，例如：地面探測雷達、傳感器和精密定位設備，對超寬頻（UWB）資料傳輸的需求正日益增加；如今，捕捉高達 2 GHz 瞬時頻寬（Instantaneous Bandwidth） 的需求已經不再罕見，這種大範圍頻寬的應用場景逐漸成為主流。

然而，這種需求的快速成長也帶來了一系列顯著挑戰，由於現有的測試儀器和技術無法滿足處理如此大瞬時頻寬的要求，尤其是在更高頻率下，傳統的測試方式和設備顯得力不從心；因此，業界開始探索各種創新技術，其中光譜拼接（Spectral Stitching） 成為了一項被寄予厚望的解決方案。
 

挑戰原因

  1. 儀器性能限制：
    現有的測試設備無法處理高頻和寬頻訊號，尤其是在需要捕捉 2 GHz 或以上瞬時頻寬的情況下，現有設備的硬體性能存在明顯不足，大多數傳統儀器的設計初衷是針對窄頻寬應用，難以應對當前快速發展的超寬頻需求。
  2. 資料完整性問題：
    在大範圍頻段內重建訊號是一項技術難題，尤其當訊號分佈於不同的頻段時，如何確保重建訊號的幅度和相位一致性成為一個核心挑戰，不僅如此，處理不當還可能導致訊號失真或丟失，影響應用的準確性。


光譜拼接（Spectral Stitching）技術


為了解決上述挑戰，光譜拼接（Spectral Stitching）技術成為一種創新的軟體解決方案，該技術透過將多段相距甚遠的訊號進行整合，模擬出完整的寬頻段訊號，這種方法大大擴展了現有窄頻寬設備的應用範圍，使其能夠處理超寬頻訊號，並滿足多樣化的高頻應用需求。

光譜拼接技術在實際應用中展現了以下幾個關鍵功能：
  • 重建訊號： 
    當頻譜分析儀無法直接捕捉整個頻段時，透過光譜拼接技術將分散的訊號片段整合成完整的頻段，這種方法對於測試儀器瞬時頻寬有限的情況尤其有用。
  • 支援寬頻處理： 
    光譜拼接技術能夠利用窄頻寬資料採集硬體（Narrow-Bandwidth Data Acquisition Hardware），實現對寬頻訊號的處理需求，因此企業不需要昂貴的寬頻設備即可完成高頻測試。
  • 載波聚合 (CA)： 
    當訊號分佈於頻譜的不同部分（例如數百 MHz 的間隔）時，光譜拼接技術能夠將這些分散的頻段聚合為一個連續頻段，實現多頻段訊號的高效整合。
  • 提升動態範圍： 
    在寬頻訊號數位化的過程中，光譜拼接技術有助於保持較高的動態範圍，從而提升訊號處理的準確性，並減少訊號失真問題。


適用於光譜拼接的訊號類型

光譜拼接技術廣泛應用於多種訊號類型，包括但不限於以下範疇：
  • CDMA（Code Division Multiple Access）訊號：
    多碼分多址訊號（例如 GNSS 全球導航衛星系統）是光譜拼接技術的典型應用場景，適用於高精度的衛星定位和導航。
  • 雷達脈衝訊號： 
    雷達脈衝訊號在高精度測距與定位中扮演重要角色，光譜拼接技術能夠幫助精確捕捉和分析這類訊號。
  • QAM 和 OFDM 訊號： 
    這些訊號用於數位調變技術，例如 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調變）和 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交分頻多工），是現代通訊技術中的核心應用。
  • 保持幅度和相位關係的訊號： 
    在多通道處理中，光譜拼接技術能夠確保訊號的幅度和相位一致性，提升多頻段訊號處理的準確度。
  • 導頻子載波訊號 (Pilot Sub-Carrier Signals) 或不需要校準干預的訊號： 
    導頻子載波訊號或其他不需要校準干預的訊號也能受益於光譜拼接技術，從而提高訊號處理的穩定性和效率。

 圖中展示了光譜拼接（Spectral Stitching）的概念
圖中展示了光譜拼接（Spectral Stitching）的概念，上方的兩個 50 MHz 窄頻訊號（3dB 帶寬）被拼接成下方的 100 MHz 寬頻訊號；透過整合分散的頻譜，實現寬頻訊號的重建，有效提升動態範圍與頻寬處理能力。

光譜拼接技術為應對高頻和寬頻應用的挑戰提供了一條創新之路，透過解決儀器性能限制和資料完整性問題，該技術不僅能夠滿足當前超寬頻應用的需求，還能為未來的無線射頻技術發展奠定堅實基礎，無論是在導航、雷達測試，還是高頻通訊等領域，光譜拼接技術都展現出了其獨特的價值，並為突破現有技術瓶頸開闢了新的可能性。
 

挑戰 5：處理和傳輸大量 RF 資料

如果您已經解決了捕捉超寬頻（UWB，Ultra Wide Band）資料的主要挑戰，那麼如何將這些資料以即時方式傳輸到電腦或磁碟陣列，尤其是在處理 2 GHz 或以上的瞬時頻寬（Instantaneous Bandwidth）時？此外，當沒有單一設備能夠處理如此大的資料傳輸量時，又該如何處理這些資料？

目前，一些組織採用了通道化解決方案（Channelized Solution），例如一個具備 8 個 300 MHz 通道的系統可以將高達 2.4 GHz 的頻寬導向 8 個獨立的 RAID 磁碟陣列。雖然這並非理想的解決方案，但在當前階段可能是最可行且成本效益較高的選擇。


UWB 資料處理中的另一塊拼圖：資料回放

如果您已成功捕捉並儲存了大量無線射頻（RF）訊號，例如 5 TB、10 TB，甚至 20 TB，那麼如何高效地回放這些資料？尤其是當您需要測試航空航太或國防領域的專用甚至關鍵任務應用（如雷達）時，這一問題尤為突出。

這在 RF 應用測試中是一個常見挑戰，並且硬體限制相當顯著，雖然大多數「堆疊式」（Rack & Stack）儀器可以產生 60 GHz（或以上）的訊號，但它們通常無法提供當今開發者所需的回放頻寬。


挑戰原因

  1. 資料傳輸量高：
    開發支援高頻訊號的專用回放硬體，滿足高頻寬資料的回放需求，特別是針對航空航太和國防領域的關鍵應用，如雷達訊號測試。
  2. 回放性能不足：
    開發支援高頻訊號的專用回放硬體，滿足高頻寬資料的回放需求，特別是針對航空航太和國防領域的關鍵應用，如雷達訊號測試。


解決方案

  1. 多通道架構（Channelized Solution）：
    採用多通道解決方案（如 8 x 300 MHz 通道）來分散資料處理壓力，並提高高頻資料的傳輸效率。
  2. 高效存儲系統：
    設計支援高傳輸量的 RAID 磁碟陣列系統，確保資料的即時儲存和穩定傳輸，減少資料丟失風險。
  3. 回放技術創新：
    開發支援高頻訊號的專用回放硬體，滿足高頻寬資料的回放需求，特別是針對航空航太和國防領域的關鍵應用，如雷達訊號測試。

超寬頻資料處理與回放是 RF 技術發展中面臨的重要挑戰，透過採用多通道架構、設計高效存儲系統並推進 回放技術創新，能夠有效解決這些問題；雖然目前的通道化解決方案可能並非最理想的選擇，但其成本效益和實用性使其成為當前階段的最佳解決方案之一，未來，隨著技術的不斷進步，將有更多創新解決方案為 UWB 應用提供支援，推動 RF 測試和應用邁向新高度。
 

未來測試解決方案的展望

無線射頻產品測試面臨的五大挑戰反映了產業技術快速變革的趨勢，無論是高頻應用、標準多樣性、測試效率，還是資料捕捉與處理，這些問題都要求 OEMs 和測試設備供應商採取創新解決方案；未來，隨著自動化技術和軟體定義硬體的進一步普及，RF 測試的效率和精度將大幅提升，為行業帶來更多機遇。
 

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