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大幅加速流程的無線測試新方案盤點

作者:Louis E. Frenzel
來源:《Electronic Design》
日期:2007-11-20 09:07:19
摘要:隨著頻率逐漸攀升到新的高度,無線和射頻測試的復雜度和成本也在不斷增加。

事實上,目前千兆赫級頻率已相當司空見慣了。簡單的AM和FM/PM已被淘汰,為更復雜的數字調制方法所取代。二進制相移鍵控(BPSK),正交相移鍵控(QPSK)以及正交幅度調制(QAM)都是目前的常用標準。手機還廣泛采用了擴頻(CDMA)技術。而同時,其它一些更先進的無線方法則開始采用正交頻分復用(OFDM)。

此外,軟件定義無線電(SDR)和認知無線電(CR)、時隙復用協議、雷達之類的突發傳輸、調頻、超寬帶(UWB)等帶寬技術,以及自適應調制等等專業無線技術,使測試流程愈加復雜化,這給設計人員或測試工程師帶來了新的挑戰。

不僅止于此,測試速度也變得前所未有的重要。但現在在工程中仍然是上市時間主宰一切,而測試沒有增加任何價值。它只是一種為確保產品正常工作并符合相關指南所產生的成本。制造測試花費的時間越長,成本就越高,利潤就越低。

對手機像這樣的大批量商品市場而言,這是很嚴酷的現實。僅僅今年生產的新電話就超過了10億部,試想一下測試所花的時間!有制造商指出,若把一項測試的時間減少10ms,每次生產運轉就可以節省100萬美元。

盡管如此,在這方面還真有一些鼓舞人心的好消息。總是站在技術最前沿的測試設備制造商認識到了這個問題并開發出了一些很棒的解決方案,可以簡化且大幅度加速測試流程。雖然代價是必須做出適當的折衷取舍,但頗為值得,畢竟時間就是金錢。

常用測試

在規劃無線測試時,應該確保所采用技術的標準給出了需要測量的主要參數。不論該標準是國際標準組織還是認證產品的業界聯盟所制定,你都必須獲取標準文檔,并了解其所有繁瑣的細節。在其中你將找到必需進行的特殊測試極其所需設備。

切記兩個事實。首先,射頻測量是針對功率而非電壓的。儀表和顯示系統的讀數常常直接以功率單位給出,有時又采用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之間的關系。由于所有情況中的目標都是致力于實現最大的功率輸送,故電路內和測試儀器與被測器件之間的正確的阻抗匹配是至為關鍵的。大多數RF測量都采用50Ω的特性阻抗。

其次,傳輸線至關重要。其不是同軸電纜,就是帶狀線或微帶線,阻抗是關鍵。標準特性阻抗為50Ω,所有的阻抗都應該匹配最大功率輸送。此外,阻抗還應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,射頻測試分為兩類:一類針對發射器(TX),另一類針對接收器(RX)。下面給出了部分主要測試,此外還有許多其它的特殊測試。業界各個公司都一直在致力于開發新的測試,不斷豐富測試類型。

發射器測試

輸出功率:

最重要的測試是末級功率放大器(PA)的功率輸出。利用頻譜分析儀或向量信號分析儀可以獲得良好的測量結果,但大多數情況都要求更高的測量精度,這就需要射頻功率計。射頻功率計可以提供所需的精度以確保滿足任何標準或規范。

兩個常見的功率測量是平均功率和峰值功率,具體選擇哪一個取決于所采用的調制方法是什么類型。某些應用中,更復雜的是門控或時控功率測量的要求。比如,采用TDMA技術的 GSM手機標準要求在分配的524.6-μs時隙內測量射頻突發信號。脈沖射頻應用的另一個例子是雷達,其具有非常狹窄的脈沖和隨機且間或的編碼格式。

對于CDMA,將測量平均功率,因為信號類似于隨機或白色噪聲。在必須同時處理多個信號的CDMA PA中,信號(盡管是隨機的)可以累加在一起產生高至信號的10到30倍的峰值功率。這類放大器中的一個主要測量參數是振幅因子(crest factor),又稱峰均比(peak-to-average ratio)它可以是功率比或電壓比。某些射頻功率計可以測量和計算振幅因子。

另一個主要測量參數是PA的1-dB壓縮點。PA的輸出功率隨輸入功率的增加而線性增加,直到某個點。在某些功率級,輸出將飽和,這意味著輸出功率達到最高值,并基本保持恒定,不再隨輸入功率的增加而變化(圖1)。1-dB壓縮點是指輸出功率比其線性輸出級低1dB時的點。

當然,放大器進入飽和級狀態會增加其壓力。更糟糕的是,由于互調失真(Intermodulation Distortion,IMD)效應,非線性響應會產生諧波和偽信號。可以利用頻譜分析儀測量諧波和偽信號。

三階截取(TOI):

IMD也是一項常見測試,用以測量放大器中的非線性量。把兩個測試信號加載在放大器上,對輸出進行測量。f1和f2兩個基頻信號混合,產生信號和與信號差,以及更高階的產物。信號和與信號差因為是二階產物,通常很易于濾除。但所謂的三階產物,即2f1 - f2與2f2 - f1,卻很難濾除,因為它們與兩個原始信號非常接近(圖2)。

這些三階產物可以通過確定TOI來測得。該測試也被稱為IP3或IM3,可間接測得TOI的幅度。在圖1所示的輸出功率與輸入功率的關系圖中,主曲線的斜率是一。根據定義非線性度的三角式的數學特性,TOI產物的曲線斜率為三。

需注意,該曲線與主要線性圖的交叉點位于放大器的壓縮點之上。這是因為無法直接測量TOI。線性圖和TOI之間的差距越大,失真越少,互調產物越小。TOI測試也用于接收器。

誤差向量幅度(EVM):

EVM是對調制質量的測量。它表示發射信號與理想信號的接近程度。由于大多數調制方法都采用信號為同相(I)和正交(Q)格式的數字技術(BPSK、QPSK、QAM、8PSK等),故輸出可用星座圖來表示(圖3)。

星座圖上的每一個點都代表一個兩位或更多位的輸出。

EVM通常表示為誤差向量的長度與理想參考向量的長度之比,一般被規格化為最大的符號幅度,并用百分比來表示。

EVM = (誤差向量長度/最大參考向量長度) Ω 100

鄰近信道功率比(ACPR):

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

ACPR最常用于CDMA設備,其信號通常被下行轉換為中頻(IF),被數字化并進行快速傅立葉變換(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功率有多遠(用dBm表示)。

接收器測試

接收器靈敏度

在這項關鍵的接收器測試中,通常首先是把所需頻率的信號饋入接收器前端,然后利用信號發生器衰減器或外部衰減器進行衰減,直到信號“跑頻(drop out)。”一般會對“跑頻”做一定的定義說明,比如意指接收器失鎖(lose lock)的那一點。此外,還在信號中引入噪聲以確定信噪比(S/N或SNR),這時信號不再可讀。

一種確定靈敏度的可行辦法是在接收器上進行比特誤碼率(BER)測試。把一種偽隨機比特位格式調制到發生器產生的信號上,再饋送到接收器。對重新獲得的比特位與接收到的解調后的比特位進行比較,就可以計算出比特誤碼率。信號輸入幅度繼續降低或噪聲級提高,直到超過所需BER。

鄰近信道抑制:

這種測試采用一個或多個信號發生器來產生所需信號以及一個或多個干擾信號。它測試接收器抑制鄰近信道信號干擾的能力。

測試儀器的選擇

有許多專業的RF測試儀器可供選擇。其中最主要最常用的有任意波形發生器(AWG)、信號發生器、向量信號發生器、頻譜分析儀、向量信號分析儀(VSA),以及功率計(圖4和圖5)。這些儀器對實現快速精確的測量至關重要。

向量發生器和向量分析儀都基于SDR架構,非常適合于現在的無線標準,也有益于測量速度的加快。這是因為SDR架構賦予了這些儀器很強的靈活性――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在發生器中進行調制,在分析儀中進行解調、下行轉換和解碼。高性能PC機常常用于DSP,并內建于儀器內。可以把專業的軟件或固件增加到發生器或分析儀中,將儀器設置為基于特殊無線電技術或無線協議進行測量(表2)。

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

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大多數測試裝置都需要適當的探針和電纜。應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。其它大多數測試中常見的配件包括信號合成器或信號分配器、固定和/或可調衰減器以及隔離器。