基于校准链路的ATS测量不确定度分析

2023-03-24彭业顺徐振飞陆伟继李嘉玲

日用电器 2023年2期

彭业顺徐振飞陆伟继李嘉玲

（威凯检测技术有限公司广州 510663）

引言

测量不确定度是现代计量科学与企业质量管理的重要组成，是实验数据客观性和有效性的重要参考[1]。自动化测试系统（Automatic Test System, ATS）凭借测试效率高、复现性好、消除人为测量和读数误差等优点在检测和计量领域发挥关键作用[2]。

在无线电测试领域（例如：GSM、DECT、TDLTE、5G、WLAN和蓝牙等），ATS拥有手动测量无法比拟的优势，正逐步成为复杂设备和系统可靠性的必要保障[3]。ATS测量结果的不确定度评定为复杂系统的维修和计量，在经济、军事和工业生产方面具有深远影响。根据ISO/IEC 17025：2017《实验室管理体系检测和校准实验室能力的一般要求》和中国合格评定国家认可委员会（CNAS）正式发布CNAS-CL01：2018《检测和校准实验室能力认可准则》要求，无线电检测、认证、计量机构使用ATS工具出具报告就必须要完成ATS测量不确定度评定。目前国内该领域的相关标准还未出台，且ATS作为一种复杂的测量工具，其测量参数多，信号路径分支错综复杂，各单元仪器之间相互影响，各连接点和各分项指标合成都可能引入不确定分量，建模和计算分析十分复杂[4]。

目前关于测量不确定度的评定算法，只有GUM（Guide to the Uncertainty in Measurement）法和蒙特卡洛法是由国际组织联合发布并受到国际社会公认的方法，是完整的不确定度评定方法；其他是相关领域学者为解决特定问题总结出的方法，本质上只是基于样本数据的特定算法，一般只对应于GUM 所列出的不确定度来源中的某一项[5,6]。所以，在检测和计量领域中，尽管GUM并未给出动态测量不确定度评定的完善理论，但其仍是大多数ATS首选的不确定度评定方法。ATS不确定度评定主要有两种方法：一种是实际应用中计量检定实验；另一种是通过理论分析并结合实际测量来进行计算[7]。

本文从ATS的五个精度指标（偏移性、稳定性、重复性、再现性、线性）出发，利用ATS测量链测量不确定度原理对ATS的校准引入的测量不确定度进行理论分析。同时，从测量不确定来源入手，根据误差传递函数，建立不确定评定模型，分别求各指标的不确定度，进而求得测量不确定度。本文提出的误差校准链路的ATS测量不确定度分析方法可以在工程实践中节省大量时间。

1 ATS

1.1 ATS结构组成

ATS一般由自动化测试设备（Automatic Test Equipment, ATE）、测试程序集（Test Program Set, TPS）和TPS 软件开发的工具三部分组成[8]。其中，ATE是ATS测试的物理基础，通过计算机控制测试仪器实现被测对象（Device Under Test, DUT）的测量，加入激励后测量响应，从而确定DUT的功能或性能是否符合规范；TPS是用于测试指定DUT的软件总称，测试接口适配器是ATE和DUT的桥梁；TPS软件开发工具包括软件开发环境、仿真器、编程工具和描述语言等，不同ATS所需要的TPS软件开发工具一般不同[9]。

1.2 测量系统结构分类

从ATS的整体角度考虑，评定ATS测量不确定度需要确定其测量系统结构。一般分为串联型、并联型和闭环型三种。将测量链中各传递单元简化为G1和G2，三种类型的系统结构如图2所示。其中x、y分别是输入信号和输出信号，f1、f2分别是G1、G2的传递函数，μ1和μ2分别为各传递单元的测量不确定度，δ(μ1)和δ(μ2)是各传递单元误差。

图1 ATS结构组成

图2 三种测量系统

假设各传递单元误差δ(μ1)和δ(μ2)相互独立，根据GUM法的合成不确定度公式[10-11]可以求得三种类型测量系统的测量不确定度。三种测量系统参数如表1所示。

表1 三种测量系统参数

1.3 ATS测量链测量不确定度原理

在ATS中，激励信号和测试信号都经过一条由多个传递环节构成的测量链，从信号流向的可以得出，ATS测量链的量值传递结构为串联型。

典型的 ATS 串联测量链传递模型如图3所示，其中n 为传递单元数，x和 y 分别为测量链的输入输出信号，f1，f2，... fn分别为各传递单元的传递函数，μ1，μ2，…μn分别为各传递单元的测量不确定度，F(f1, f2,... fn)为ATS 测量链的总传递函数。

图3 ATS串联测量链传递模

ATS测量链不确定度的分析与计算的步骤如下：

1）根据信号路径建立ATS测量链；

2）根据测量链中各传递单元的不同测量特点，选择合适计算方法，计算各传递单元测量不确定度μ1，μ2，…μn；

3）根据各传递单元的测量不确定度，计算完整测量链的合成不确定度μ。

1.4 ATS的溯源与自校准

从图3中ATS的结构可知, 测试仪器和测量链路共同完成了自动测试任务, 且两者都会影响测试结果。ATS逐渐从专用型向通用型过渡，早期的ATS校准要采用拆卸方式，现在是以ATS为整体进行工作，且不同的TPS测试策略、传输电缆、接口和连接器等都会影响最终测试结果。因此，ATS整体校准可以提高系统可靠性，整体校准也逐步被接受。GJB 5109是国内最早赋予了ATS可计量属性的文件，使得ATS具备了计量适配器接口，同时对实验室的计量检定工作提出了更高要求[12]。

为了保证测试结果精确可靠, 应对测试仪器、测量链路两部分都进行计量校准。因此，无线电设备ATS的校准分为两类：测试仪器的校准为仪器计量；测量链路的校准为链路标定[13]。测量链路的校准是ATS的特殊要求。

2 蓝牙认证ATS

2.1 蓝牙射频一致性测试系统

蓝牙技术中涉及的专利和蓝牙商标权属于蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG）所有。如果要将蓝牙技术的产品或蓝牙商标作商业用途，必须要获得Bluetooth SIG的授权，进行蓝牙产品认证。蓝牙产品认证的测试主要分为：射频一致性测试、Profile测试、协议一致性测试。其中射频一致性测试必须要在蓝牙认证实验室（Bluetooth Qualification Test Facility，BQTF）进行，且Bluetooth SIG 要求BQTF使用ATS完成射频一致性测试。图4是CVC威凯的蓝牙射频一致性测试系统。

图4 蓝牙射频一致性测试系统

2.2 校准引入的不确定度分析

检测无线电设备的过程中，由于传输链路损耗、测量设备精度和稳定性等因素的存在，测试前必须对测量设备和链路进行校准。通过校准，计算出校准因子可以补偿绝大部分静态系统误差，但是不可抵消的系统误差作为系统不确定因素之一。

由于有一部分不可抵消的系统误差必然存在，那么就会伴随有不确定度存在。此外，校准因子是引入不确定的因素之一。所以，ATS测量不确定度分析中不可或缺的部分为链路校准引入的不确定度。

ATS测量和手动测量的主要在于链路损耗校准因子产生的方法不同，ATS通过切换单元控制链路搭建校准和测量链路。ATS测量链路校准是通过链路标定实现，标定时将测量链路视作一个整体，通过测量激励和响应两个链路中的结果，测得校准因子并进行补偿。以插入损耗为例，测量链路中插入损耗计算过程：①信号源发射一个固定频率测试信号，功率为P1；②用频谱仪在链路另一端口测量，测量的功率为P2；③链路衰减值为P1-P2，即为测量链路插损。

目前，插入损耗修正方法分两类：一类是在测试前将射频切换单元切换为闭环链路，然后测试闭环链路的损耗并存储结果，最后以此结果作为链路的修正因子并用于后续测试中。另一类是全链路分频段修正。通过对全链路分频段测试，计算出损耗并绘制对应损耗曲线。后续测试结果通过线性插值修正该频率对应损耗值。

图5 蓝牙射频一致性测试系统连接框图

3 测量不确定度计算与评定

使用GUM法进行A类评估标准不确定度分量合成标准不确定度时，测量次数n应足够多，得到的测量不确定度才更可靠，n的取值一般不小于10。在实际测试中，考虑到检测或校准花费的时间成本，测量结果不可能取n次测量的平均值。射频领域的测试对测量仪器要求较高，检测实验室需要定期参加ATS的能力验证实验，且实验结果合格方可开展检测。所以，测量仪器和ATS的均匀性、稳定性、重复性都很好，不必每次测量都重新作A类标准不确定度评估。