IC測試原理解析(第四部分―射頻/無線芯片測試基礎(chǔ))

芯片測試原理討論在芯片開發(fā)和生產(chǎn)過程中芯片測試的基本原理，一共分為四章，下面將要介紹的是最后一章。第一章介紹了芯片測試的基本原理，第二章介紹了這些基本原理在存儲器和邏輯芯片的測試中的應(yīng)用，第三章介紹了混合信號芯片的測試。本文將介紹射頻/無線芯片的測試。

射頻/無線系統(tǒng)會同時包含一個發(fā)射器和接收器分別用于發(fā)送和接收信號。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)射器由以下幾個部分構(gòu)成：

·CODEC(編碼/解碼器)
·符號編碼
·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)字信號處理方法(DSP)來編碼聲音信號，以進行數(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。卷積編碼復制每個輸入位，用這些冗余位來進行錯誤校驗并增加了編碼增益。交織編碼能讓碼位錯誤分布比較均勻，從而使得錯誤校驗的效率更高。

符號編碼把數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為I/Q信號，并把符號定義成某個特定的調(diào)制格式?；鶐V波和調(diào)制整形濾波器通過修整I/Q調(diào)制信號的陡峭邊沿來提高帶寬的使用效率。

IQ調(diào)制器使得I/Q信號相互正交(積分意義上)，因此它們之間不會相互干擾。IQ調(diào)制器的輸出為是IQ信號的組合，就是一個單一的中頻信號。該中頻信號經(jīng)過上變頻器轉(zhuǎn)換為射頻信號后，再通過放大后進行發(fā)射。

圖1、通用數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射器的簡單模塊圖

先進的數(shù)字信號處理和專用應(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，模塊級和芯片級的射頻測試點會減少很多，發(fā)射器系統(tǒng)級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)測試采用時分復用或者碼分復用的方法來測試無線數(shù)字電路。復用指的是頻率或者空間上的復用等。在時分多址(TDMA)技術(shù)中，一個信道可以定義為在一系列重復出現(xiàn)的幀里面特定的頻段和時隙，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)信道的時隙或者碼段。

發(fā)射器信道帶寬是最先進行的測試，它決定了發(fā)射器發(fā)射信號的頻譜特性。通過頻譜的形狀和特性可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的許多錯誤，并能大概推算出系統(tǒng)符號速率的錯誤率。

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在頻率帶寬內(nèi)的平均能量。它通常定義為有用信號能量在信號頻率帶寬內(nèi)的平均值，實際的測量方法隨著不同的標準會有所不同。無線系統(tǒng)必須保證每個環(huán)節(jié)消耗的能量最少，這樣的目的主要有兩個：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，必須嚴格地控制輸出功率。在CDMA系統(tǒng)中，為了達到最大的容量，系統(tǒng)總的干擾容限也嚴格限制了每個單個移動單元的功率。精確發(fā)射功率控制對系統(tǒng)的容量,覆蓋范圍和信號質(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)制信號功率的百分比所覆蓋多少頻譜。

時間測試常用于TDMA系統(tǒng)中的突發(fā)信號測試。這些測試主要用來評估載波包絡(luò)是否能滿足預期的要求，它們包括了突發(fā)信號寬度，上升時間，下降時間、開啟時間、關(guān)閉時間、峰值功率、發(fā)射功率、關(guān)閉功率以及占空比等。時間測試可以保證相鄰頻率信道之間的干擾以及信號開啟或者關(guān)閉的時隙切換時的干擾最小。

調(diào)制品質(zhì)的測試通常涉及到發(fā)射信號的精確解調(diào)并與理想的數(shù)學計算出來的發(fā)射信號或參考信號進行比較。實際的測量隨著不同的調(diào)制方式和不同的標準會有不同的方法。

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，獲得實際信號的軌跡。通常把輸出信號解調(diào)后得到一個參考信號。矢量誤差是指某個時間理想的參考信號與實際所測的信號的差別，是一個包含幅度分量和相位分量的復數(shù)。通常，EVM會采用最大的符號幅度分量或者平均符號功率的平方根。

I/Q偏置(固有偏置origin offsets)是由I/Q信號的直流偏置引起的，可能會導致載波反饋。

相位和頻率誤差測試用于等幅調(diào)制方式。通過采樣發(fā)射器的輸出信號并捕獲實際的相位軌跡，解調(diào)后得到一個理想的參考相位軌跡。相位誤差是通過比較實際信號和理想?yún)⒖夹盘柖玫降?，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，導致信號靈敏度的下降。頻率誤差是指載波頻率的誤差。一個穩(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?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

信道外測試是指對那些在系統(tǒng)頻率以外頻段的測量。

信道外測試是對系統(tǒng)頻段內(nèi)的失真或者干擾進行采樣，而不是對傳輸頻率本身進行測試

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。通常是在間隔多個信道的信道之間進行測量(與相鄰信道或間隔信道之間)。當進行ACPR測試的時候，要考慮到發(fā)射信號的統(tǒng)計特性非常重要，因為即使對于同一發(fā)射器來說，不同的信號統(tǒng)計會導致不同的ACPR測試結(jié)果。對于不同的標準，該測試通常會具有不同的名字和定義。

雜波信號是由發(fā)射器內(nèi)不同的信號組合而引起的。在系統(tǒng)頻帶內(nèi)這種信號的幅度必須要小于標準所規(guī)定的水平，以保證它對其它通信系統(tǒng)的干擾最小。

諧波是由發(fā)送器的非線性而引起的信號失真，這些信號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，因此，必須有一個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。低噪聲放大器(LNA)可以放大目標信號的幅度，但同時也會保證盡可能少地增加噪聲幅度，下變頻器通過與本振信號混頻把RF信號轉(zhuǎn)換為頻率較低的中頻信號?；祛l器的輸出信號再通過中頻濾波器削弱由混頻器或相鄰通道產(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來實現(xiàn)。I/Q解調(diào)是由模擬硬件來實現(xiàn)的，在數(shù)字射頻接收器的設(shè)計中比較常見。盡管這種方法很受歡迎，但它有一個潛在的問題：I/Q路徑上的增益會不太一致，而且相對的相位偏差也很大(大于90度)，進而會導致圖像抑制的問題。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幅度，又稱作靈敏度。接收器能正確捕獲低幅度輸入信號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，同時也是靈敏度的衡量方式。當采用一位數(shù)據(jù)序列進行調(diào)制時,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的幅度。測量該參數(shù)時需要通過衰減已知的電纜分別把信號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，如果不知道大概的靈敏度，那就最先把信號的幅度設(shè)置到通常的水平(比如-90dBm),接下來遞減幅度，直到比特誤碼率達到指定值。此時，信號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，在相同RF信道上加上干擾信號后檢測接收信號的扭曲水平。接收器能保持對所需信號的靈敏度同時抑制干擾信號的能力就是同道抑制能力。

信道外或阻塞測試用于驗證當有信道外信號出現(xiàn)時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，但是干擾信號是所有頻段的干擾信號而不僅限于同信道內(nèi)的。
- 互調(diào)抑制能力(intermodulation immunity)用于測試當接收器的輸入包含多個頻率分量時所產(chǎn)生的失真信號。
- 相鄰信道抑制能力用于測試當相鄰信道具有強信號時接收器的接受能力。

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的共同作用產(chǎn)生的。這兩種雜波信號都需要被檢測。

在進行雜波信號檢測時，