射頻及無線芯片測試基礎(chǔ)知識(shí)解析

本文將介紹射頻/無線芯片的測試。射頻/無線系統(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)射器的基本測試，接下來再介紹接收器的基本測試。

發(fā)射器測試基礎(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)制整形濾波器通過修整I/Q調(diào)制信號(hào)的陡峭邊沿來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)過上變頻器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后，再通過放大后進(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。現(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)的射頻測試點(diǎn)會(huì)減少很多，發(fā)射器系統(tǒng)級(jí)和天線端的測試和故障分析就變得更加重要。

發(fā)射器的主要測試內(nèi)容

信道內(nèi)測試

信道內(nèi)測試采用時(shí)分復(fù)用或者碼分復(fù)用的方法來測試無線數(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)行的測試，它決定了發(fā)射器發(fā)射信號(hào)的頻譜特性。通過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。

載波頻率測試用于測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。可以通過計(jì)算3dB帶寬來判斷中心頻率。

信道功率測試用于測試有用信號(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)際的測量方法隨著不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所不同。無線系統(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)間測試常用于TDMA系統(tǒng)中的突發(fā)信號(hào)測試。這些測試主要用來評(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)間測試可以保證相鄰頻率信道之間的干擾以及信號(hào)開啟或者關(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)算出來的發(fā)射信號(hào)或參考信號(hào)進(jìn)行比較。實(shí)際的測量隨著不同的調(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。

相位和頻率誤差測試用于等幅調(diào)制方式。通過采樣發(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。大的相位誤差說明發(fā)射器基帶或者輸出放大器有問題，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)定的小頻率誤差說明正在使用的載波可能有些問題。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)有問題。

信道外測試

信道外測試是指對(duì)那些在系統(tǒng)頻率以外頻段的測量。

信道外測試是對(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)行測試。

相鄰信道功率比(ACPR)測試保證發(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)行測量(與相鄰信道或間隔信道之間)。當(dāng)進(jìn)行ACPR測試的時(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)射器來說，不同的信號(hào)統(tǒng)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不同的ACPR測試結(jié)果。對(duì)于不同的標(biāo)準(zhǔn)，該測試通常會(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。

接收器基本測試

接收器的功能基本上是發(fā)送器的反向過程，因而它們帶來的測試挑戰(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)?；祛l器的輸出信號(hào)再通過中頻濾波器削弱由混頻器或相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生的無用的頻率分量。

數(shù)字接收器(圖2)可以用I/Q解調(diào)器或者采樣中頻IF來實(shí)現(xiàn)。I/Q解調(diào)是由模擬硬件來實(shí)現(xiàn)的，在數(shù)字射頻接收器的設(shè)計(jì)中比較常見。盡管這種方法很受歡迎，但它有一個(gè)潛在的問題：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

接收器的主要測試內(nèi)容

信道內(nèi)測試用來測試接收器在一定的允許誤碼率的情況下能接受的最小的信號(hào)幅度，又稱作靈敏度。接收器能正確捕獲低幅度輸入信號(hào)的能力就是該接收器的靈敏度。

比特誤碼率和楨誤碼率是在數(shù)字接收器里面的地位就跟模擬接收器里面的信號(hào)與噪聲諧波比(SINAD)一樣，是衡量數(shù)字接收器最重要的性能指標(biāo)，同時(shí)也是靈敏度的衡量方式。當(dāng)采用一位數(shù)據(jù)序列進(jìn)行調(diào)制時(shí)，可接受的靈敏度是指在指定誤碼率的條件下最小接收信號(hào)的幅度。測量該參數(shù)時(shí)需要通過衰減已知的電纜分別把信號(hào)源施加到接收器的天線端，以及把接收器的輸出端連接到比特誤碼率檢測設(shè)備上。測試時(shí)，如果不知道大概的靈敏度，那就最先把信號(hào)的幅度設(shè)置到通常的水平(比如-90dBm)，接下來遞減幅度，直到比特誤碼率達(dá)到指定值。此時(shí)，信號(hào)的功率值減去電纜的損耗就是靈敏度。

同道抑制能力測試與靈敏度測試相似。測試時(shí)，在相同RF信道上加上干擾信號(hào)后檢測接收信號(hào)的扭曲水平。接收器能保持對(duì)所需信號(hào)的靈敏度同時(shí)抑制干擾信號(hào)的能力就是同道抑制能力。

信道外或阻塞測試用于驗(yàn)證當(dāng)有信道外信號(hào)出現(xiàn)時(shí)接收器是否能正常工作以及在此條件下接收器被干擾后所產(chǎn)生的雜波響應(yīng)。通常信道外測試包括：

- 雜波抑制能力，它與同道抑制相似，但是干擾信號(hào)是所有頻段的干擾信號(hào)而不僅限于同信道內(nèi)的。

- 互調(diào)抑制能力(intermodulaTIon immunity)用于測試當(dāng)接收器的輸入包含多個(gè)頻率分量時(shí)所產(chǎn)生的失真信號(hào)。

- 相鄰信道抑制能力用于測試當(dāng)相鄰信道具有強(qiáng)信號(hào)時(shí)接收器的接受能力。

檢測雜波抑制能力

雜散響應(yīng)或者雜波是由接收器內(nèi)部或接收器與外部信號(hào)的共同作用產(chǎn)生的。這兩種雜波信號(hào)都需要被檢測。

在進(jìn)行雜波信號(hào)檢測時(shí)，可以用一個(gè)負(fù)載代替接收器的天線，這樣可以保證接收器的輸入信號(hào)沒有干擾信號(hào)，接下來把接收器的輸出連接到頻譜分析儀。這樣，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的毛刺都會(huì)在頻譜分析儀上出現(xiàn)。系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的雜波一般源于接收器電源的諧波，系統(tǒng)時(shí)鐘或者本振信號(hào)。

雜散響應(yīng)抑制能力用于測試接收器抑制在輸出端由雜散響應(yīng)產(chǎn)生的無用信號(hào)的能力。在進(jìn)行此項(xiàng)測試之前，我們必須找出所有的內(nèi)部產(chǎn)生的雜波源，并確保它們沒有超出規(guī)定范圍。接下來，我們?cè)俳o所需射頻信道施加一個(gè)在靈敏度范圍以上的調(diào)制測試信號(hào)，同時(shí)用第二個(gè)信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)干擾信號(hào)。改變干擾信號(hào)的頻率，觀察和驗(yàn)證接收器的雜波抑制能力。

檢測互調(diào)抑制能力

互調(diào)影響是指在輸入信號(hào)包含多個(gè)頻率分量時(shí)由接收器的非線性度而產(chǎn)生一些無用信號(hào)。一般用兩個(gè)頻率分量的輸入信號(hào)來測試接收器的互調(diào)特性。我們需要設(shè)置干擾信號(hào)讓三階互調(diào)分量落在接收器的通帶之中。干擾信號(hào)的能量與其它信號(hào)都相等并設(shè)定在指定的值，接下來再檢測有用信號(hào)的比特誤碼率。

測量相鄰?fù)ǖ篮烷g隔通道的選擇性

相鄰和間隔通道的選擇性指接收器接受本信道有用信號(hào)并抵制相鄰?fù)ǖ?通常隔一個(gè)通道)或間隔通道(通常指相隔兩個(gè)通道)較強(qiáng)信號(hào)干擾的能力。在一些通信應(yīng)用中，通道比較窄或者間隔通道的能量難于控制，比如說移動(dòng)無線信號(hào)等，這些應(yīng)用中，上述的測試就非常重要。進(jìn)行這些測試時(shí)，通過信號(hào)發(fā)生器給待測信道施加一個(gè)測試信號(hào)，能量與通道靈敏度相關(guān)。同時(shí)用第二個(gè)信號(hào)發(fā)生器給相鄰或者間隔信通也施加一個(gè)信號(hào)，此信號(hào)的能量被設(shè)定在某一特定值，使得測試信號(hào)的誤碼率小于某個(gè)比例。

除開能量的精度之外，測試信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜特征也很重要。對(duì)于很多接收器來說，用于產(chǎn)生干擾信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器的單邊帶(SSB)相位噪聲非常關(guān)鍵。如果在中頻濾波器頻段范圍內(nèi)的相位噪聲過大，接收器測試可能會(huì)不能通過。

大的測試安全系數(shù)對(duì)于接收器在信噪比惡化條件下能正常工作增添信心。對(duì)于使用新技術(shù)或者變化的頻率系統(tǒng)中，大的測試安全系數(shù)可以用來保證這些不確定性。

衰落測試

用于克服多個(gè)隨機(jī)的無線信道對(duì)單一接受信道的影響。在無線環(huán)境中，無線信號(hào)可能由多個(gè)途徑從發(fā)送器到達(dá)接收器。在接收器的輸入端，這種多徑效應(yīng)可能會(huì)增加信號(hào)的幅度(同相)或者減小信號(hào)的幅度(反相)。因此，會(huì)導(dǎo)致被接收信號(hào)的衰落，從而影響信號(hào)的接受。

快速的線性衰落會(huì)使得基帶脈沖失真。這種失真是線性的，并會(huì)產(chǎn)生符號(hào)間干擾。自適應(yīng)均衡器可以通過消除線性失真來減少符號(hào)間干擾。

緩慢的衰落會(huì)導(dǎo)致信噪比的降低。糾錯(cuò)編碼或者接收分級(jí)能夠克服緩慢衰減的這種影響。衰減測試可以通過以下步驟來完成：先把測試信號(hào)在傳送到接收器之前通過一個(gè)無線信道的仿真器，經(jīng)過仿真器模擬信號(hào)的多個(gè)路徑，因此到達(dá)接收器的信號(hào)是多個(gè)信號(hào)的組合。再有接收器進(jìn)行信號(hào)處理。接收器必須能夠在處理該組合信號(hào)時(shí)能保證一定的誤碼率。衰落測試的設(shè)置與靈敏度測試很類似，只不過多出一個(gè)仿真通道。

結(jié)論

到目前為止，我們介紹了以下幾種基本測試：相對(duì)簡單的存儲(chǔ)器和邏輯芯片測試以及比較復(fù)雜的混合信號(hào)和射頻/無線芯片測試的獨(dú)特測試要求。由此可見，對(duì)于不同類型芯片的測試，我們需要根據(jù)相應(yīng)的要求采用不同的測試策略和測試方法。