大幅加速流程的無(wú)線測(cè)試新方案盤點(diǎn)

隨著頻率逐漸攀升到新的高度，無(wú)線和射頻測(cè)試的復(fù)雜度和成本也在不斷增加。事實(shí)上，目前千兆赫級(jí)頻率已相當(dāng)司空見(jiàn)慣了。簡(jiǎn)單的AM和FM/PM已被淘汰，為更復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制方法所取代。

二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)，正交相移鍵控(QPSK)以及正交幅度調(diào)制(QAM)都是目前的常用標(biāo)準(zhǔn)。手機(jī)還廣泛采用了擴(kuò)頻(CDMA)技術(shù)。而同時(shí)，其它一些更先進(jìn)的無(wú)線方法則開始采用正交頻分復(fù)用(OFDM)。

此外，軟件定義無(wú)線電(SDR)和認(rèn)知無(wú)線電(CR)、時(shí)隙復(fù)用協(xié)議、雷達(dá)之類的突發(fā)傳輸、調(diào)頻、超寬帶(UWB)等帶寬技術(shù)，以及自適應(yīng)調(diào)制等等專業(yè)無(wú)線技術(shù)，使測(cè)試流程愈加復(fù)雜化，這給設(shè)計(jì)人員或測(cè)試工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

不僅止于此，測(cè)試速度也變得前所未有的重要。但現(xiàn)在在工程中仍然是上市時(shí)間主宰一切，而測(cè)試沒(méi)有增加任何價(jià)值。它只是一種為確保產(chǎn)品正常工作并符合相關(guān)指南所產(chǎn)生的成本。制造測(cè)試花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，成本就越高，利潤(rùn)就越低。

對(duì)手機(jī)像這樣的大批量商品市場(chǎng)而言，這是很嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)。僅僅今年生產(chǎn)的新電話就超過(guò)了10億部，試想一下測(cè)試所花的時(shí)間！有制造商指出，若把一項(xiàng)測(cè)試的時(shí)間減少10ms，每次生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)就可以節(jié)省100萬(wàn)美元。

盡管如此，在這方面還真有一些鼓舞人心的好消息?？偸钦驹诩夹g(shù)最前沿的測(cè)試設(shè)備制造商認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題并開發(fā)出了一些很棒的解決方案，可以簡(jiǎn)化且大幅度加速測(cè)試流程。雖然代價(jià)是必須做出適當(dāng)?shù)恼壑匀∩?，但頗為值得，畢竟時(shí)間就是金錢。

常用測(cè)試

在規(guī)劃無(wú)線測(cè)試時(shí)，應(yīng)該確保所采用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)給出了需要測(cè)量的主要參數(shù)。不論該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織還是認(rèn)證產(chǎn)品的業(yè)界聯(lián)盟所制定，你都必須獲取標(biāo)準(zhǔn)文檔，并了解其所有繁瑣的細(xì)節(jié)。在其中你將找到必需進(jìn)行的特殊測(cè)試極其所需設(shè)備。

切記兩個(gè)事實(shí)。首先，射頻測(cè)量是針對(duì)功率而非電壓的。儀表和顯示系統(tǒng)的讀數(shù)常常直接以功率單位給出，有時(shí)又采用dBm的形式(即dB值是以1mW為參考值的)。表1顯示了有效功率和dBm之間的關(guān)系。由于所有情況中的目標(biāo)都是致力于實(shí)現(xiàn)最大的功率輸送，故電路內(nèi)和測(cè)試儀器與被測(cè)器件之間的正確的阻抗匹配是至為關(guān)鍵的。大多數(shù)RF測(cè)量都采用50Ω的特性阻抗。

其次，傳輸線至關(guān)重要。其不是同軸電纜，就是帶狀線或微帶線，阻抗是關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)特性阻抗為50Ω，所有的阻抗都應(yīng)該匹配最大功率輸送。此外，阻抗還應(yīng)該匹配最小的反射和高的電壓駐波比(VSWR)，以避免效率低下和電路損壞。

一般而言，射頻測(cè)試分為兩類：一類針對(duì)發(fā)射器(TX)，另一類針對(duì)接收器(RX)。下面給出了部分主要測(cè)試，此外還有許多其它的特殊測(cè)試。業(yè)界各個(gè)公司都一直在致力于開發(fā)新的測(cè)試，不斷豐富測(cè)試類型(參見(jiàn)www.electronicdesign.com, Drill Deeper 17102，“Six New Measurements You're Going To Need”一文)。

發(fā)射器測(cè)試

輸出功率：

最重要的測(cè)試是末級(jí)功率放大器(PA)的功率輸出。利用頻譜分析儀或向量信號(hào)分析儀可以獲得良好的測(cè)量結(jié)果，但大多數(shù)情況都要求更高的測(cè)量精度，這就需要射頻功率計(jì)。射頻功率計(jì)可以提供所需的精度以確保滿足任何標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

兩個(gè)常見(jiàn)的功率測(cè)量是平均功率和峰值功率，具體選擇哪一個(gè)取決于所采用的調(diào)制方法是什么類型。某些應(yīng)用中，更復(fù)雜的是門控或時(shí)控功率測(cè)量的要求。比如，采用TDMA技術(shù)的GSM手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求在分配的524.6-μs時(shí)隙內(nèi)測(cè)量射頻突發(fā)信號(hào)。脈沖射頻應(yīng)用的另一個(gè)例子是雷達(dá)，其具有非常狹窄的脈沖和隨機(jī)且間或的編碼格式。

對(duì)于CDMA，將測(cè)量平均功率，因?yàn)樾盘?hào)類似于隨機(jī)或白色噪聲。在必須同時(shí)處理多個(gè)信號(hào)的CDMA PA中，信號(hào)(盡管是隨機(jī)的)可以累加在一起產(chǎn)生高至信號(hào)的10到30倍的峰值功率。這類放大器中的一個(gè)主要測(cè)量參數(shù)是振幅因子(crest factor)，又稱峰均比(peak-to-average ratio)它可以是功率比或電壓比。某些射頻功率計(jì)可以測(cè)量和計(jì)算振幅因子。

另一個(gè)主要測(cè)量參數(shù)是PA的1-dB壓縮點(diǎn)。PA的輸出功率隨輸入功率的增加而線性增加，直到某個(gè)點(diǎn)。在某些功率級(jí)，輸出將飽和，這意味著輸出功率達(dá)到最高值，并基本保持恒定，不再隨輸入功率的增加而變化(圖1)。1-dB壓縮點(diǎn)是指輸出功率比其線性輸出級(jí)低1dB時(shí)的點(diǎn)。

當(dāng)然，放大器進(jìn)入飽和級(jí)狀態(tài)會(huì)增加其壓力。更糟糕的是，由于互調(diào)失真(Intermodulation Distortion,IMD)效應(yīng)，非線性響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生諧波和偽信號(hào)?？梢岳妙l譜分析儀測(cè)量諧波和偽信號(hào)。

三階截取(TOI):

IMD也是一項(xiàng)常見(jiàn)測(cè)試，用以測(cè)量放大器中的非線性量。把兩個(gè)測(cè)試信號(hào)加載在放大器上，對(duì)輸出進(jìn)行測(cè)量。f1和f2兩個(gè)基頻信號(hào)混合，產(chǎn)生信號(hào)和與信號(hào)差，以及更高階的產(chǎn)物。信號(hào)和與信號(hào)差因?yàn)槭嵌A產(chǎn)物，通常很易于濾除。但所謂的三階產(chǎn)物，即2f1 - f2與2f2 - f1，卻很難濾除，因?yàn)樗鼈兣c兩個(gè)原始信號(hào)非常接近(圖2)。

這些三階產(chǎn)物可以通過(guò)確定TOI來(lái)測(cè)得。該測(cè)試也被稱為IP3或IM3，可間接測(cè)得TOI的幅度。在圖1所示的輸出功率與輸入功率的關(guān)系圖中，主曲線的斜率是一。根據(jù)定義非線性度的三角式的數(shù)學(xué)特性，TOI產(chǎn)物的曲線斜率為三。

需注意，該曲線與主要線性圖的交叉點(diǎn)位于放大器的壓縮點(diǎn)之上。這是因?yàn)闊o(wú)法直接測(cè)量TOI。線性圖和TOI之間的差距越大，失真越少，互調(diào)產(chǎn)物越小。TOI測(cè)試也用于接收器。

誤差向量幅度(EVM):

EVM是對(duì)調(diào)制質(zhì)量的測(cè)量。它表示發(fā)射信號(hào)與理想信號(hào)的接近程度。由于大多數(shù)調(diào)制方法都采用信號(hào)為同相(I)和正交(Q)格式的數(shù)字技術(shù)(BPSK、QPSK、QAM、8PSK等)，故輸出可用星座圖來(lái)表示(圖3)。[!--empirenews.page--]

星座圖上的每一個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)兩位或更多位的輸出。

EVM通常表示為誤差向量的長(zhǎng)度與理想?yún)⒖枷蛄康拈L(zhǎng)度之比，一般被規(guī)格化為最大的符號(hào)幅度，并用百分比來(lái)表示。

EVM = (誤差向量長(zhǎng)度/最大參考向量長(zhǎng)度) Ω 100

鄰近信道功率比(ACPR)：

ACPR是發(fā)射信道平均功率與相鄰頻率信道平均功率之比，讓發(fā)射器信號(hào)通過(guò)接收器的濾波器組至鄰近射頻信道頻率而測(cè)得。有時(shí)被稱為鄰近信道泄漏比(ACLR)，它測(cè)量有多少信號(hào)功率泄漏到鄰近信道上。

ACPR最常用于CDMA設(shè)備，其信號(hào)通常被下行轉(zhuǎn)換為中頻(IF)，被數(shù)字化并進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，然后在頻域顯示。最后得到的圖可以顯示出相鄰信道功率距離主信號(hào)功率有多遠(yuǎn)(用dBm表示)。

接收器測(cè)試

接收器靈敏度：

在這項(xiàng)關(guān)鍵的接收器測(cè)試中，通常首先是把所需頻率的信號(hào)饋入接收器前端，然后利用信號(hào)發(fā)生器衰減器或外部衰減器進(jìn)行衰減，直到信號(hào)“跑頻(drop out)。”一般會(huì)對(duì)“跑頻”做一定的定義說(shuō)明，比如意指接收器失鎖(lose lock)的那一點(diǎn)。此外，還在信號(hào)中引入噪聲以確定信噪比(S/N或SNR)，這時(shí)信號(hào)不再可讀。

一種確定靈敏度的可行辦法是在接收器上進(jìn)行比特誤碼率(BER)測(cè)試。把一種偽隨機(jī)比特位格式調(diào)制到發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)上，再饋送到接收器。對(duì)重新獲得的比特位與接收到的解調(diào)后的比特位進(jìn)行比較，就可以計(jì)算出比特誤碼率。信號(hào)輸入幅度繼續(xù)降低或噪聲級(jí)提高，直到超過(guò)所需BER。

鄰近信道抑制：

這種測(cè)試采用一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生所需信號(hào)以及一個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)。它測(cè)試接收器抑制鄰近信道信號(hào)干擾的能力。

測(cè)試儀器的選擇

有許多專業(yè)的RF測(cè)試儀器可供選擇。其中最主要最常用的有任意波形發(fā)生器(AWG)、信號(hào)發(fā)生器、向量信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、向量信號(hào)分析儀(VSA)，以及功率計(jì)(圖4和圖5)。這些儀器對(duì)實(shí)現(xiàn)快速精確的測(cè)量至關(guān)重要。

向量發(fā)生器和向量分析儀都基于SDR架構(gòu)，非常適合于現(xiàn)在的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，也有益于測(cè)量速度的加快。這是因?yàn)镾DR架構(gòu)賦予了這些儀器很強(qiáng)的靈活性――利用額外的軟件或固件可以它們被迅速地改變、更新與提高。

可編程的DSP和/或FPGA或ASIC在發(fā)生器中進(jìn)行調(diào)制，在分析儀中進(jìn)行解調(diào)、下行轉(zhuǎn)換和解碼。高性能PC機(jī)常常用于DSP，并內(nèi)建于儀器內(nèi)?？梢园褜I(yè)的軟件或固件增加到發(fā)生器或分析儀中，將儀器設(shè)置為基于特殊無(wú)線電技術(shù)或無(wú)線協(xié)議進(jìn)行測(cè)量(表2)。

示波器雖然不常用于射頻測(cè)試，但在某些應(yīng)用中仍大有作為。例如，Tektronix的DPO/DSA70000示波器就是UWB等極大帶寬RF信號(hào)的理想平臺(tái)。加上Tektronix的UWB軟件，它可以全面測(cè)試流行的WiMedia UWB無(wú)線電及其它寬帶無(wú)線設(shè)備(圖6)。

大多數(shù)測(cè)試裝置都需要適當(dāng)?shù)奶结樅碗娎|。應(yīng)該始終使用制造商提供的匹配探針，并需使用帶有正確接頭的同軸電纜。其它大多數(shù)測(cè)試中常見(jiàn)的配件包括信號(hào)合成器或信號(hào)分配器、固定和/或可調(diào)衰減器以及隔離器。