射頻及無(wú)線芯片測(cè)試基礎(chǔ)知識(shí)解析
本文將介紹射頻/無(wú)線芯片的測(cè)試。射頻/無(wú)線系統(tǒng)會(huì)同時(shí)包含一個(gè)發(fā)射器和接收器分別用于發(fā)送和接收信號(hào)。我們先介紹發(fā)射器的基本測(cè)試,接下來(lái)再介紹接收器的基本測(cè)試。
發(fā)射器測(cè)試基礎(chǔ)
如圖1所示,數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射器由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:
· CODEC(編碼/解碼器)
· 符號(hào)編碼
· 基帶濾波器(FIR)
· IQ調(diào)制
· 上變頻器(Upconverter)
· 功率放大器
CODEC使用數(shù)字信號(hào)處理方法(DSP)來(lái)編碼聲音信號(hào),以進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。它還完成其它一些功能,包括卷積編碼和交織編碼。卷積編碼復(fù)制每個(gè)輸入位,用這些冗余位來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)并增加了編碼增益。交織編碼能讓碼位錯(cuò)誤分布比較均勻,從而使得錯(cuò)誤校驗(yàn)的效率更高。
符號(hào)編碼把數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為I/Q信號(hào),并把符號(hào)定義成某個(gè)特定的調(diào)制格式。基帶濾波和調(diào)制整形濾波器通過(guò)修整I/Q調(diào)制信號(hào)的陡峭邊沿來(lái)提高帶寬的使用效率。
IQ調(diào)制器使得I/Q信號(hào)相互正交(積分意義上),因此它們之間不會(huì)相互干擾。IQ調(diào)制器的輸出為是IQ信號(hào)的組合,就是一個(gè)單一的中頻信號(hào)。該中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后,再通過(guò)放大后進(jìn)行發(fā)射。
圖1、通用數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射器的簡(jiǎn)單模塊圖
先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理和專用應(yīng)用芯片技術(shù)提高了數(shù)字系統(tǒng)的集成度?,F(xiàn)在一塊單一的芯片就集成了從ADC轉(zhuǎn)換到中頻調(diào)制輸出的大部分功能。因此,模塊級(jí)和芯片級(jí)的射頻測(cè)試點(diǎn)會(huì)減少很多,發(fā)射器系統(tǒng)級(jí)和天線端的測(cè)試和故障分析就變得更加重要。
發(fā)射器的主要測(cè)試內(nèi)容
信道內(nèi)測(cè)試
信道內(nèi)測(cè)試采用時(shí)分復(fù)用或者碼分復(fù)用的方法來(lái)測(cè)試無(wú)線數(shù)字電路。復(fù)用指的是頻率或者空間上的復(fù)用等。在時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)中,一個(gè)信道可以定義為在一系列重復(fù)出現(xiàn)的幀里面特定的頻段和時(shí)隙,而在碼分多址(CDMA)技術(shù)中,信道定義為特定的碼段和頻段。信道內(nèi)和信道外這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是我們所感興趣的頻段(頻率信道),而不是指頻率帶寬內(nèi)信道的時(shí)隙或者碼段。
發(fā)射器信道帶寬是最先進(jìn)行的測(cè)試,它決定了發(fā)射器發(fā)射信號(hào)的頻譜特性。通過(guò)頻譜的形狀和特性可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的許多錯(cuò)誤,并能大概推算出系統(tǒng)符號(hào)速率的錯(cuò)誤率。
載波頻率測(cè)試用于測(cè)試可能引起相鄰頻段信道干擾或影響接收器載波恢復(fù)的頻率誤差。在大多數(shù)調(diào)制方式中,載波頻率應(yīng)處于頻譜的中心??梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算3dB帶寬來(lái)判斷中心頻率。
信道功率測(cè)試用于測(cè)試有用信號(hào)在頻率帶寬內(nèi)的平均能量。它通常定義為有用信號(hào)能量在信號(hào)頻率帶寬內(nèi)的平均值,實(shí)際的測(cè)量方法隨著不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所不同。無(wú)線系統(tǒng)必須保證每個(gè)環(huán)節(jié)消耗的能量最少,這樣的目的主要有兩個(gè):一是可以減少系統(tǒng)的整體干擾,二是能延長(zhǎng)便攜系統(tǒng)電池的使用壽命。因此,必須嚴(yán)格地控制輸出功率。在CDMA系統(tǒng)中,為了達(dá)到最大的容量,系統(tǒng)總的干擾容限也嚴(yán)格限制了每個(gè)單個(gè)移動(dòng)單元的功率。精確發(fā)射功率控制對(duì)系統(tǒng)的容量,覆蓋范圍和信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要。
占用帶寬跟信道功率密切相關(guān),定義為給定總調(diào)制信號(hào)功率的百分比所覆蓋多少頻譜。
時(shí)間測(cè)試常用于TDMA系統(tǒng)中的突發(fā)信號(hào)測(cè)試。這些測(cè)試主要用來(lái)評(píng)估載波包絡(luò)是否能滿足預(yù)期的要求,它們包括了突發(fā)信號(hào)寬度,上升時(shí)間,下降時(shí)間、開(kāi)啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、峰值功率、發(fā)射功率、關(guān)閉功率以及占空比等。時(shí)間測(cè)試可以保證相鄰頻率信道之間的干擾以及信號(hào)開(kāi)啟或者關(guān)閉的時(shí)隙切換時(shí)的干擾最小。
調(diào)制品質(zhì)的測(cè)試通常涉及到發(fā)射信號(hào)的精確解調(diào)并與理想的數(shù)學(xué)計(jì)算出來(lái)的發(fā)射信號(hào)或參考信號(hào)進(jìn)行比較。實(shí)際的測(cè)量隨著不同的調(diào)制方式和不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的方法。
誤差矢量幅度(EVM)是應(yīng)用最廣泛的數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制品質(zhì)參數(shù),它采樣發(fā)射器的輸出端的輸出信號(hào),獲得實(shí)際信號(hào)的軌跡。通常把輸出信號(hào)解調(diào)后得到一個(gè)參考信號(hào)。矢量誤差是指某個(gè)時(shí)間理想的參考信號(hào)與實(shí)際所測(cè)的信號(hào)的差別,是一個(gè)包含幅度分量和相位分量的復(fù)數(shù)。通常,EVM會(huì)采用最大的符號(hào)幅度分量或者平均符號(hào)功率的平方根。
I/Q偏置(固有偏置origin offsets)是由I/Q信號(hào)的直流偏置引起的,可能會(huì)導(dǎo)致載波反饋。
相位和頻率誤差測(cè)試用于等幅調(diào)制方式。通過(guò)采樣發(fā)射器的輸出信號(hào)并捕獲實(shí)際的相位軌跡,解調(diào)后得到一個(gè)理想的參考相位軌跡。相位誤差是通過(guò)比較實(shí)際信號(hào)和理想?yún)⒖夹盘?hào)而得到的,并以有效值和峰值的形式表示。大的相位誤差說(shuō)明發(fā)射器基帶或者輸出放大器有問(wèn)題,導(dǎo)致信號(hào)靈敏度的下降。頻率誤差是指載波頻率的誤差。一個(gè)穩(wěn)定的小頻率誤差說(shuō)明正在使用的載波可能有些問(wèn)題。不穩(wěn)定的頻率誤差可能是由以下這些原因引起的:本地振蕩器的不穩(wěn)定,使用了不適當(dāng)?shù)臑V波器,放大器的幅度調(diào)制相位調(diào)制轉(zhuǎn)換有問(wèn)題,或是所使用發(fā)射器模擬頻率調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)有問(wèn)題。
信道外測(cè)試
信道外測(cè)試是指對(duì)那些在系統(tǒng)頻率以外頻段的測(cè)量。
信道外測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)頻段內(nèi)的失真或者干擾進(jìn)行采樣,而不是對(duì)傳輸頻率本身進(jìn)行測(cè)試。
相鄰信道功率比(ACPR)測(cè)試保證發(fā)送器不受相鄰或者間隔通道的干擾。ACPR就是相鄰信道平均功率與發(fā)射信道平均功率的比值。通常是在間隔多個(gè)信道的信道之間進(jìn)行測(cè)量(與相鄰信道或間隔信道之間)。當(dāng)進(jìn)行ACPR測(cè)試的時(shí)候,要考慮到發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性非常重要,因?yàn)榧词箤?duì)于同一發(fā)射器來(lái)說(shuō),不同的信號(hào)統(tǒng)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不同的ACPR測(cè)試結(jié)果。對(duì)于不同的標(biāo)準(zhǔn),該測(cè)試通常會(huì)具有不同的名字和定義。
雜波信號(hào)是由發(fā)射器內(nèi)不同的信號(hào)組合而引起的。在系統(tǒng)頻帶內(nèi)這種信號(hào)的幅度必須要小于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的水平,以保證它對(duì)其它通信系統(tǒng)的干擾最小。
諧波是由發(fā)送器的非線性而引起的信號(hào)失真,這些信號(hào)的頻率都是載波頻率的整數(shù)倍。信道外雜波和諧波的測(cè)試用于保證本信道對(duì)其它通信系統(tǒng)的干擾最小。
接收器基本測(cè)試
接收器的功能基本上是發(fā)送器的反向過(guò)程,因而它們帶來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn)也非常相似。接收器必須在有潛在干擾的條件下成功地捕獲RF信號(hào),因此,必須有一個(gè)前端選擇濾波器來(lái)濾除或減弱由天線接受到的系統(tǒng)頻段以外的信號(hào)。低噪聲放大器(LNA)可以放大目標(biāo)信號(hào)的幅度,但同時(shí)也會(huì)保證盡可能少地增加噪聲幅度,下變頻器通過(guò)與本振信號(hào)混頻把RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率較低的中頻信號(hào)。混頻器的輸出信號(hào)再通過(guò)中頻濾波器削弱由混頻器或相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生的無(wú)用的頻率分量。
數(shù)字接收器(圖2)可以用I/Q解調(diào)器或者采樣中頻IF來(lái)實(shí)現(xiàn)。I/Q解調(diào)是由模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在數(shù)字射頻接收器的設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)。盡管這種方法很受歡迎,但它有一個(gè)潛在的問(wèn)題:I/Q路徑上的增益會(huì)不太一致,而且相對(duì)的相位偏差也很大(大于90度),進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致圖像抑制的問(wèn)題。因此,I/Q解調(diào)的方式主要用于單通道基站。
圖2、典型的數(shù)字通信接收器