IC測(cè)試原理解析第四部分 射頻與無(wú)線芯片

1、IC測(cè)試原理解析第四部分發(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（Up converter） 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

2、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。A/D =*Processing ComppessiorV Errof CorrectionI CODECBaseband SectiorEncodeSynbcfsQIQModulatoifIFUp converterRFP oweAmplifierIoDigital Communications TransmitterFigure 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

3、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(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)分多址仃DMA）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, 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)

4、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

5、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時(shí)間測(cè)試常用于TDMA系統(tǒng)中的密切相關(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。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

6、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)EVM會(huì)采用最大的符號(hào)幅度分與實(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, 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

7、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

8、就是相鄰信道平均功率（與相鄰信道或間隔信道之間 ）。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 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

9、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)?；祛l器的輸出信號(hào)再通過(guò)中數(shù)字接收器 （圖 2） 可以用 I/Q 解調(diào)器或者采樣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。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

10、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。Digital Communiications ReceiverConverterFigure 2.典型的數(shù)字通信接收器接收器的主要測(cè)試內(nèi)容信道內(nèi)測(cè)試用來(lái)測(cè)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。(SINAD)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 一樣，是衡量數(shù)字接收器最重要的性能指標(biāo)，同時(shí)

11、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(cè)量該參數(shù)時(shí)需要通過(guò)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(cè)設(shè)備上。測(cè)試時(shí),（比如-90dBm）,接下來(lái)遞減幅度，直到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(cè)試與靈敏度測(cè)試相似。測(cè)試時(shí)，在相同RF信道上加上干擾信號(hào)后檢測(cè)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(cè)試用于驗(yàn)證當(dāng)有

12、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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。在進(jìn)行雜波信號(hào)檢測(cè)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(méi)有干 擾信

13、號(hào)， 接下來(lái)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(cè)試接收器抑制在輸出端由雜散響應(yīng)產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)的能力。在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)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(méi)有超出規(guī)定范圍。接下來(lái)，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(cè)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(cè)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(wú)用信號(hào)。一般用兩個(gè) 頻率分量的輸入信

14、號(hào)來(lái)測(cè)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(lái)再檢測(cè)有用信號(hào)的比特誤碼率。測(cè)量相鄰?fù)ǖ篮烷g隔通道的選擇性（通常隔一個(gè)通道 ）或間隔通道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劳ǔＶ赶喔魞蓚€(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(shuō)移動(dòng)無(wú)線信號(hào)等，這些應(yīng)用中，上述的測(cè)試就非常重要。進(jìn)行這些測(cè)試時(shí)，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器 給待測(cè)信道施加一個(gè)測(cè)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

15、某一特定值，使得測(cè)試信號(hào)的誤碼率小于某個(gè)比例。除開(kāi)能量的精度之外，測(cè)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(lái)說(shuō)，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(guò)大，接收器測(cè)試可能會(huì)不能通過(guò)。大的測(cè)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(cè)試安全系數(shù)可以用來(lái)保證這些不確定性。衰落測(cè)試用于克服多個(gè)隨機(jī)的無(wú)線信道對(duì)單一接受信道的影響。在無(wú)線環(huán)境中，無(wú)線信號(hào)可能由多個(gè)途徑從發(fā)（同相）或者減小信號(hào)的幅度（反送器到達(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 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?？焖俚木€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(guò)消除線性失真來(lái)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(cè)試可以通過(guò)以下步驟來(lái)完