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?；鶐V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(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(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^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(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，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。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