未來近在眼前：Teledyne e2v的四通道ADC為5G NRATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)測試測量帶來重大變革

摘要

無線技術(shù)在過去的20年里快速從3G發(fā)展到4G，現(xiàn)在已到了5G的時(shí)代。有一個(gè)技術(shù)問題一直貫穿這一發(fā)展的過程，即高頻器件的自動校準(zhǔn)測試。

RF ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)面臨的最困難的挑戰(zhàn)是校準(zhǔn)、可重復(fù)性和測試結(jié)果的關(guān)聯(lián)度。未來的無線技術(shù)的發(fā)展需要5G NR器件。Teledyne e2v的四通道多輸入端口ADC利用非并行片上高頻交叉點(diǎn)開關(guān)輸入電路技術(shù)，使用戶可在RF ATE和/或現(xiàn)場測試環(huán)境中使用自動校準(zhǔn)和測量技術(shù)。

Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190(采用交叉點(diǎn)開關(guān)輸入電路技術(shù)的12位和10位四通道ADC)使RF ATE和現(xiàn)場測試設(shè)備的開發(fā)可以集中于單通道和多端口5G NR設(shè)備的自動校準(zhǔn)測試和測量。

兩代之間的問題

5G是通信行業(yè)的第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從2019年開始在世界范圍應(yīng)用。5G是現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)使用的4G網(wǎng)絡(luò)的繼任者，帶寬更大，下載速度高達(dá)10 Gbit/s。 由于帶寬的增加，現(xiàn)在的4G手機(jī)將無法使用新的網(wǎng)絡(luò)，這種新的網(wǎng)絡(luò)需要支持5G的無線設(shè)備。另一方面，5G也需要兼容諸如帶寬等所有的4G網(wǎng)絡(luò)需求。因此，為了保證廣泛的服務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)將工作在三種頻段：低頻段、中頻段和高頻段。

低頻段5G(也稱作次1 GHz)使用和4G(600-700 MHz)相似的頻率范圍，可支持稍高于4G的下載速度(30-250 Mbit/s)。

中頻段5G(也稱作次6 GHz)的頻率范圍是2.5-3.7 GHz(下載速度是100-900 Mbit/s)。這一服務(wù)將在2020年覆蓋大多數(shù)的大城市區(qū)域。

高頻段5G(也稱作毫米波)使用26、28或39 GHz的頻率。上述的5G頻段都在2020年經(jīng)過測試，而新的中頻段(次6 GHz)預(yù)計(jì)在將來的幾個(gè)月或幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)(當(dāng)前有超過50個(gè)5G NR中頻段在世界范圍內(nèi)使用)。

2018年，一個(gè)5G的行業(yè)聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)(第三代合作工程(3GPP))定義了使用5G NR(5G新無線電)軟件的系統(tǒng)。5G最終將支持大約每平方千米1M個(gè)設(shè)備，而現(xiàn)在的4G支持大約每平方千米100K個(gè)器件。當(dāng)然，5G無線設(shè)備將兼容4G LTE功能，因?yàn)樾碌?G網(wǎng)絡(luò)將使用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)初步實(shí)現(xiàn)手機(jī)的連接。關(guān)鍵是，未來的5G器件不僅需滿足不斷發(fā)展的5G性能需求，還需兼容之前的2G/3G/4G/5G(GSM/EDGE/CDMA/UMTS/WCDMA/LTE/LTEA/TD-SCDMA/TD-LTE等)。

因此，未來的5G NR ATE系統(tǒng)需使用一種可靠的、可重復(fù)的方式在較寬的頻率范圍測試器件的性能，這種方式需支持自動校準(zhǔn)和測量以確保結(jié)果相互關(guān)聯(lián)并減少測試誤差。

誤差帶來的麻煩

參數(shù)化RF ATE測量環(huán)境中DUT(測試的器件)外部的不確定度/誤差需要采用能準(zhǔn)確并可靠測量DUT/產(chǎn)品性能的測量方法以提高測量的精確度。測試并量化測量的不確定度是獲得理想測量結(jié)果的關(guān)鍵。

一般來說，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度通常是值得懷疑的，因?yàn)樗械臏y量都受物理和電氣環(huán)境的影響，并受到使用的源/測試器件/儀器的限制。因而，測量的值永遠(yuǎn)不會等于測試的DUT/性能的真實(shí)值。測量值和真實(shí)性能值之間的差別叫做誤差。依據(jù)誤差的來源(DUT外部)，這些誤差可被大致地分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差是隨機(jī)的，它們來源于測試設(shè)備和測試環(huán)境的不可預(yù)測的時(shí)間或空間變化。通常難以追蹤和量化隨機(jī)誤差如何影響DUT的測量結(jié)果。隨機(jī)誤差主要由RF ATE環(huán)境的變化引起，如溫度變化、連接變化、儀器噪聲和失真，也包含連接和線纜的誤差。

系統(tǒng)誤差是可重復(fù)的誤差，一般可以被修正，但無法全部消除。系統(tǒng)誤差僅可被減小到某個(gè)程度。校準(zhǔn)的概念通常指估算RFATE測試環(huán)境中的系統(tǒng)誤差并修正。為了成功修正系統(tǒng)誤差，通常需要校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)或參考的器件。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或參考器件應(yīng)該能以較高的精確度代表或復(fù)現(xiàn)某個(gè)測量流程。校準(zhǔn)流程一般是用測量系統(tǒng)測量/測試這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)/參考器件，并將測量結(jié)果存儲為原始數(shù)據(jù)。通過比較這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)/參考器件的原始測量數(shù)據(jù)和已知的數(shù)值，可計(jì)算出系統(tǒng)誤差。這個(gè)誤差的值隨后被用于修正測量結(jié)果。不幸的是，對于5G NR ATE測試設(shè)備，包括DIB(設(shè)備接口板)、探針卡、線纜和連接等，標(biāo)準(zhǔn)/參考器件有各種各樣的高頻率和測試條件，這使得問題變得非常復(fù)雜。另一種校準(zhǔn)的方法是定義一個(gè)參考平面。這個(gè)參考平面是通過估算并修正測試系統(tǒng)環(huán)境的系統(tǒng)誤差得出。不幸的是，隨機(jī)誤差無法通過參考平面環(huán)境修正。當(dāng)前RF/5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)環(huán)境迫切需要一種使用自動/校準(zhǔn)和測量技術(shù)為每個(gè)DUT創(chuàng)建一個(gè)參考平面的解決方案。

獨(dú)立器件的自動校準(zhǔn)和測試測量

為RF ATE環(huán)境中的每個(gè)DIB(設(shè)備接口板)/DUT創(chuàng)建一個(gè)參考平面需要定義一個(gè)校準(zhǔn)流程(圖1a和1b)。 校準(zhǔn)通常使用一套標(biāo)準(zhǔn)。理想狀態(tài)下，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用一個(gè)“金參考器件”DIB/DUT，與通常的DIB/DUT測量(步驟2)相比，其累計(jì)誤差只有不到一半或四分之一(步驟1)。如果可得出這一誤差( 步驟1)，則可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的累計(jì)測量方法足以滿足實(shí)際的DIB/DUT測試(步驟2)。一直維持RF ATE環(huán)境中不同的頻率、噪聲和電壓條件下最小的“金標(biāo)準(zhǔn)/參考器件”測量誤差是一件非常困難、耗時(shí)和昂貴的工作。

圖1b 簡化框圖：DIB/DUT的自動測量

當(dāng)然，器件的互聯(lián)和變化也會顯著影響創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的參考平面和DIB/DUT的校準(zhǔn)(包括多設(shè)備接口板(DIB)異常、DIB/DUT接觸/器件變化、線纜/連接器阻抗、源/測量儀器變化等)?？紤]到上述的內(nèi)容，5G NR設(shè)備的校準(zhǔn)流程需使用一套標(biāo)準(zhǔn)的手動的測試方法創(chuàng)建參考平面(引入大的隨機(jī)誤差)，然后采用自動測試方法去除系統(tǒng)誤差源。

圖2表示一個(gè)通用的6腳(表面貼裝封裝)的5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT(不連接外圍器件)。這個(gè)LNA的測試樣本需在RF ATE環(huán)境下測試，這個(gè)環(huán)境需要在測試之前校準(zhǔn)，以確定參考平面。典型的用于LNA的RF ATE測試包括：

? 工作頻率范圍(有超過50個(gè)5G NR網(wǎng)絡(luò)頻帶)

? 增益/插入損耗

? 頻率范圍的增益平坦度

? 噪聲圖

? 輸入/輸出回波損耗

? 輸入IP3

? 輸出IP3

圖2 通用6腳5G NR LNA DUT(不連接外圍器件)

除了測試這種LNA設(shè)備，實(shí)際的RF ATE環(huán)境還需擁有測試其它類型的5G NR類型設(shè)備(耦合器、衰減器、濾波器、VGA等)的能力。因此，還需考慮多端口測試的情況。

圖3表示相同的通用6腳(表面貼裝封裝)5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT，但是帶有正常工作所需的外部器件。這些器件盡可能近地安裝在DIB上。實(shí)際上，由于高頻激勵，圖3的測量和校準(zhǔn)比圖2復(fù)雜得多。DUT和DIB之間的異常包括：

? 衰減器不匹配和損耗誤差(需要阻抗匹配和改變DUT輸入/輸出電平)

? 輸入和輸出之間的電感性能變化

? 控制線和門驅(qū)動之間的相互作用的變化

? 接地環(huán)路

? 線纜/連接阻抗

? 每個(gè)測試模塊的測試系統(tǒng)連接的阻抗變化

如前所述，隨著在DUT中增加了信號鏈中的多個(gè)器件，校準(zhǔn)的問題也會更復(fù)雜。隨著變量的增加，校準(zhǔn)和自動測試誤差呈指數(shù)級增加。

圖3 通用6腳5G NR LNA DUT/DIB(連接外圍器件)

因此，未來5G NR ATE系統(tǒng)和現(xiàn)場電信測試設(shè)備需要具有在寬頻率范圍和不同測試條件下可靠、可重復(fù)、相關(guān)聯(lián)(考慮到前面所述的誤差)測試的能力。它也需要一種自動校準(zhǔn)技術(shù)，不依靠手動校準(zhǔn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建參考平面。圖4表示一個(gè)簡化/概念性的自動校準(zhǔn)5G NR RF ATE測量系統(tǒng)的框圖，可用于任何DIB/DUT，無論是單端口還是多端口，是否有外圍器件。

圖4 概念框圖：自動校準(zhǔn)5G NR RF ATE測量/測試系統(tǒng)

為了保證RF ATE系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠性、可重復(fù)的測試，測試工程師必須填補(bǔ)昂貴的測量儀器的面板上的高質(zhì)量連接器和DIB/DUT的接口之間的空白。DUT的電氣接口(探針卡或封裝適配接口卡)通常集成在DIB內(nèi)部，卻很少與相同類型的高質(zhì)量連接器匹配。源端(到DUT)和接收端/測量設(shè)備(來自DUT)之間大量的線纜/連接器以及DIB會引入大量的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。

為了補(bǔ)償這些誤差，簡化的RF ATE測試配置(圖4)允許DUT端口的自動校準(zhǔn)和測量，無需手動校準(zhǔn)技術(shù)為每個(gè)獨(dú)立的DIB/DUT創(chuàng)建參考平面。圖4簡單地通過直接測量測試配置誤差并在最終的DUT測量值中糾正這些誤差(原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值)使校準(zhǔn)/測試測量的流程實(shí)現(xiàn)自動化。具體實(shí)現(xiàn)方法是，首先，內(nèi)部交叉點(diǎn)開關(guān)(CPS)會自動切換到“校準(zhǔn)誤差測量”模式，從而允許ADC測量RF吞吐量，這包含以下的誤差：

? 直接RF天線/源噪聲和失真

? DUT的輸入回波損耗/衰減器誤差

? 電源誤差

? 接地誤差

? 輔助源/驅(qū)動問題(如上述的控制端口的例子)

? 連接器和線纜誤差/變化

這個(gè)測量結(jié)果被存儲為校準(zhǔn)誤差測量值。隨后CPS自動切換至“原始測試測量”模式，ADC對DUT(連接所需的外圍器件)進(jìn)行同樣的測量，數(shù)據(jù)被存儲為原始測試測量值。這兩個(gè)測量值經(jīng)過軟件的處理，得出自動校準(zhǔn)/修正的最終測試測量結(jié)果。內(nèi)部的CPS允許RF ATE工程師通過一系列的測試自動重配置DIB/DUT，無需手動干預(yù)和重校準(zhǔn)。 類似地，如果DIB/DUT包含多個(gè)器件，可通過四通道ADC和四輸入交叉點(diǎn)開關(guān)(CPS)實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口的測量和自動校準(zhǔn)/修正，隨后將詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。

5G NR ATE DUT自動校準(zhǔn)和測試測量

圖5和圖6描述了使用Teledyne e2v的四通道、多輸入端口并集成了非并行片上高頻交叉點(diǎn)開關(guān)(CPS)的ADC的5G NR ATE自動校準(zhǔn)和測試測量系統(tǒng)的自動化解決方案。 Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190(12位和10位四通道集成交叉點(diǎn)開關(guān)的ADC)使得5G NR ATE和現(xiàn)場測試設(shè)備可針對單個(gè)通道(圖5, 6和7)和多端口5G NR設(shè)備(如下一節(jié)所示)進(jìn)行自動校準(zhǔn)測量測試。

CPS有四種不同的模式(可通過SPI控制自動使能)：

?1通道模式IN0輸入：四通道ADC交織成最高采樣率6.4 Gsps(4 x 1.6 Gsps)

? 1通道模式IN3輸入：同上

? 2通道模式IN0輸入連接到ADC A和B,IN3連接到ADC C和D，每通道最高采樣率3.2 Gsps(2 x 1.6 Gsps)

? 4通道模式IN0-IN3輸入分別連接到ADC A, B, C, D，每通道最高采樣率1.6 Gsps

另外，EV12AQ605的擴(kuò)展輸入帶寬超過6 GHz(EFPBW)，允許C波段(4-8 GHz)的信號直接采樣，無需通過下變頻器將信號變換到基帶(直接RF采樣)。

圖5是自動校準(zhǔn)測量的簡化框圖。CPS設(shè)置成1通道(IN0輸入)模式，ADC(A, B, C, D)測量DIB/DUT的RF吞吐端口，而斷開DIB/DUT的RF輸出端(也由CPS實(shí)現(xiàn))。這種“校準(zhǔn)誤差測量”采樣DIB/DUT(輸入)的聯(lián)合誤差：

? 直接RF天線/源噪聲和失真

? 到DUT的輸入回波損耗/衰減器/濾波器誤差

? 電源和接地的誤差

? 來自DUT的輸入/回波損耗/接觸誤差

? DUT所需的DIB包含的輔助源/驅(qū)動/器件問題

? 連接器和線纜誤差/變化等

這些ADC的測量結(jié)果被存儲為“校準(zhǔn)誤差測量值”。

圖5 簡化框圖：自動校準(zhǔn)誤差測量

圖6 簡化框圖：自動校準(zhǔn)原始測試測量

圖6是原始測試測量的簡化框圖。在獲得校準(zhǔn)誤差測量值之后，CPS切換到1通道(IN3輸入)模式，ADC(A, B, C, D)測量DIB/DUT的RF輸出端口，而斷開DIB/DUT的RF吞吐端口(由CPS實(shí)現(xiàn))。這種“原始測試測量”采樣DIB/DUT(輸入)/DUT(輸出)的聯(lián)合性能和誤差，如：

? 前面的校準(zhǔn)誤差測量中提到的誤差

? 加上DUT RF輸出性能

ADC的測量結(jié)果被存儲為“原始測試測量值”。最終的DUT測量值由下式計(jì)算出：原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值。

圖7是同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)誤差測量和原始測試測量的簡化框圖。CPS被設(shè)置成2通道模式(IN0輸出連接到A和B, IN3輸出連接到C和D)。2通道模式的ADC(A, B)測量DIB/DUT的RF吞吐端口，而DIB/DUT的RF輸出也被ADC(C, D)測量。利用最大3.2 Gsps的采樣率，可以同時(shí)測量“校準(zhǔn)誤差測量值”和“原始測試測量值”。同樣的，最終的DUT測量值可由下式計(jì)算出：原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值。

圖7 簡化框圖：同時(shí)進(jìn)行自動校準(zhǔn)誤差測量和原始測試測量

已安裝的電信設(shè)備的自動校準(zhǔn)5G NR ATE系統(tǒng)/現(xiàn)場測試

圖8是同時(shí)測量多端口DIB/DUT輸入/輸出以完成自動校準(zhǔn)測量和原始測試測量流程的簡化框圖。CPS被設(shè)置成4通道模式，每個(gè)獨(dú)立采樣的ADC通道最大支持1.6 Gsps的采樣率。多端口DIB/DUT也可代表已安裝的電信系統(tǒng)的測試/測量點(diǎn)。在4通道模式下，ADC(A, B, C, D)同時(shí)測量DIB/DUT或現(xiàn)場測試系統(tǒng)的RF吞吐端口、端口1、端口2和RF輸出端口。這種配置可同時(shí)測量每個(gè)端口，數(shù)據(jù)可被用作“校準(zhǔn)誤差測量值”和/或“原始測試測量值”。最終的測試測量值可通過從原始測試測量值中減去端口校準(zhǔn)誤差得出。

圖8 簡化框圖：同時(shí)多端口自動校準(zhǔn)誤差測量和原始測試測量

此外，EV12AQ605包含一個(gè)“多ADC鏈?zhǔn)酵焦δ堋保蔀檫@種多端口測試測量帶來更大的設(shè)計(jì)靈活性。4個(gè)ADC核心的鏈?zhǔn)酵焦δ?時(shí)鐘樹和數(shù)字復(fù)位)可自動調(diào)整多個(gè)ADC的采樣時(shí)序/相位并重對齊，支持實(shí)時(shí)測量修正。ADC的鏈?zhǔn)酵焦δ苁惯@一4通道系統(tǒng)可被擴(kuò)展為8, 12, 16或更多通道的系統(tǒng)。

獨(dú)特的帶CPS的四通道ADC(EV12AQ605和EV10AQ190)為5G NR ATE系統(tǒng)和電信設(shè)備的現(xiàn)場測試加入自動校準(zhǔn)測試和測量的功能

EV12AQ605是一款四通道12位1.6 Gsps的ADC。內(nèi)置的交叉點(diǎn)開關(guān)(CPS)可切換多個(gè)工作模式，從而交織4個(gè)獨(dú)立的核心實(shí)現(xiàn)更高的采樣率。在4通道工作模式下，4個(gè)核心可以1.6 Gsps的采樣率同相位采樣4個(gè)獨(dú)立的輸入。在2通道工作模式下，核心可兩兩交織，實(shí)現(xiàn)每個(gè)輸入端3.2 Gsps的采樣率。在1通道模式下，單個(gè)輸入連接到交織的4個(gè)核心，實(shí)現(xiàn)6.4 Gsps的采樣率。這種高度的靈活性使用戶可在3.2 GHz的瞬時(shí)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)RF(和IF)的數(shù)字化。EV12AQ605的擴(kuò)展輸入帶寬超過6 GHz(EFPBW)，允許C波段(4-8 GHz)的信號直接采樣，無需使用下變頻器將信號轉(zhuǎn)換到基帶。這款A(yù)DC包含多個(gè)ADC鏈?zhǔn)酵降墓δ?，可用于多通道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它的封裝是使用HiTCE玻璃陶瓷材料的非密封型倒裝封裝，可優(yōu)化RF性能，支持較高的管腳密度。

圖9: EV12AQ605框圖

與本文介紹的主題相關(guān)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)是通道間隔離度或串?dāng)_。大的串?dāng)_會給ADC增加額外的誤差并影響結(jié)果?？梢酝ㄟ^與其他噪聲源類似的自動校準(zhǔn)的流程修正這種誤差。圖10表明，EV12AQ605擁有世界領(lǐng)先的串?dāng)_性能，其引入的額外噪聲影響不大。

圖10: EV12AQ605的串?dāng)_性能

EV10AQ190是類似的早期的10 bit的ADC版本，也集成了交叉點(diǎn)開關(guān)。兩者的性能概述請參考下表：

結(jié)論

隨著5G NR網(wǎng)絡(luò)在世界范圍的普及，高頻器件的自動/校準(zhǔn)高速測量是一個(gè)關(guān)鍵的問題。校準(zhǔn)、可重復(fù)性和測量值的相互關(guān)聯(lián)是5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些問題和總體測試速度以及吞吐量直接關(guān)聯(lián)，影響解決方案的效率和性能。Teledyne e2v的四通道多輸入端口ADC使用非并行的片上高頻交叉點(diǎn)開關(guān)輸入電路技術(shù)，在5G NR ATE和/或現(xiàn)場測試環(huán)境中為器件(單個(gè)或多端口)的測試提供自動校準(zhǔn)和測量的解決方案。