IC測試原理解析(第四部分—射頻/無線晶片測試基礎)

晶片測試原理討論在晶片開發和生產過程中晶片測試的基本原理，一共分為四章，下面將要介紹的是最後一章。第一章介紹了晶片測試的基本原理，第二章介紹了這些基本原理在存儲器和邏輯晶片的測試中的應用，第三章介紹了混合信號晶片的測試。本文將介紹射頻/無線晶片的測試。

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射頻/無線系統會同時包含一個發射器和接收器分別用於發送和接收信號。我們先介紹發射器的基本測試，接下來再介紹接收器的基本測試。

發射器測試基礎

如圖1所示，數字通信系統發射器由以下幾個部分構成：

• CODEC(編碼/解碼器)
• 符號編碼
• 基帶濾波器(FIR)
• IQ調製
• 上變頻器（Upconverter）
• 功率放大器

CODEC使用數位訊號處理方法(DSP)來編碼聲音信號，以進行數據壓縮。它還完成其它一些功能，包括卷積編碼和交織編碼。卷積編碼複製每個輸入位，用這些冗餘位來進行錯誤校驗並增加了編碼增益。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。

符號編碼把數據和信息轉化為I/Q信號，並把符號定義成某個特定的調製格式。基帶濾波和調製整形濾波器通過修整I/Q調製信號的陡峭邊沿來提高帶寬的使用效率。

IQ調製器使得I/Q信號相互正交(積分意義上)，因此它們之間不會相互幹擾。IQ調製器的輸出為是IQ信號的組合，就是一個單一的中頻信號。該中頻信號經過上變頻器轉換為射頻信號後，再通過放大後進行發射。

Figure 1. 通用數字通信系統發射器的簡單模塊圖

先進的數位訊號處理和專用應用晶片技術提高了數字系統的集成度。現在一塊單一的晶片就集成了從ADC轉換到中頻調製輸出的大部分功能。因此，模塊級和晶片級的射頻測試點會減少很多，發射器系統級和天線端的測試和故障分析就變得更加重要。

發射器的主要測試內容

信道內測試

信道內測試採用時分復用或者碼分復用的方法來測試無線數字電路。復用指的是頻率或者空間上的復用等。在時分多址(TDMA)技術中，一個信道可以定義為在一系列重複出現的幀裡面特定的頻段和時隙，而在碼分多址(CDMA)技術中，信道定義為特定的碼段和頻段。信道內和信道外這兩個術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信道的時隙或者碼段。

發射器信道帶寬是最先進行的測試，它決定了發射器發射信號的頻譜特性。通過頻譜的形狀和特性可以發現設計上的許多錯誤，並能大概推算出系統符號速率的錯誤率。

載波頻率測試用於測試可能引起相鄰頻段信道幹擾或影響接收器載波恢復的頻率誤差。在大多數調製方式中，載波頻率應處於頻譜的中心。可以通過計算3dB帶寬來判斷中心頻率。

信道功率測試用於測試有用信號在頻率帶寬內的平均能量。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。無線系統必須保證每個環節消耗的能量最少，這樣的目的主要有兩個：一是可以減少系統的整體幹擾，二是能延長便攜系統電池的使用壽命。因此，必須嚴格地控制輸出功率。在CDMA系統中，為了達到最大的容量，系統總的幹擾容限也嚴格限制了每個單個移動單元的功率。精確發射功率控制對系統的容量,覆蓋範圍和信號質量至關重要.

佔用帶寬跟信道功率密切相關，定義為給定總調製信號功率的百分比所覆蓋多少頻譜。

時間測試常用於TDMA系統中的突發信號測試。這些測試主要用來評估載波包絡是否能滿足預期的要求，它們包括了突發信號寬度，上升時間，下降時間、開啟時間、關閉時間、峰值功率、發射功率、關閉功率以及佔空比等。時間測試可以保證相鄰頻率信道之間的幹擾以及信號開啟或者關閉的時隙切換時的幹擾最小。

調製品質的測試通常涉及到發射信號的精確解調並與理想的數學計算出來的發射信號或參考信號進行比較。實際的測量隨著不同的調製方式和不同的標準會有不同的方法。

誤差矢量幅度(EVM)是應用最廣泛的數字通信系統調製品質參數，它採樣發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後得到一個參考信號。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複數。通常，EVM會採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於等幅調製方式。通過採樣發射器的輸出信號並捕獲實際的相位軌跡，解調後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參考信號而得到的，並以有效值和峰值的形式表示。大的相位誤差說明發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。一個穩定的小頻率誤差說明正在使用的載波可能有些問題。不穩定的頻率誤差可能是由以下這些原因引起的：本地振蕩器的不穩定，使用了不適當的濾波器，放大器的幅度調製相位調製轉換有問題，或是所使用發射器模擬頻率調製器的調製指數有問題，

信道外測試

信道外測試是指對那些在系統頻率以外頻段的測量。

信道外測試是對系統頻段內的失真或者幹擾進行採樣，而不是對傳輸頻率本身進行測試

相鄰信道功率比(ACPR)測試保證發送器不受相鄰或者間隔通道的幹擾。ACPR就是相鄰信道平均功率與發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，要考慮到發射信號的統計特性非常重要，因為即使對於同一發射器來說，不同的信號統計會導致不同的ACPR測試結果。對於不同的標準，該測試通常會具有不同的名字和定義。

雜波信號是由發射器內不同的信號組合而引起的。在系統頻帶內這種信號的幅度必須要小於標準所規定的水平，以保證它對其它通信系統的幹擾最小。

諧波是由發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倍。信道外雜波和諧波的測試用於保證本信道對其它通信系統的幹擾最小。

接收器基本測試

接收器的功能基本上是發送器的反向過程，因而它們帶來的測試挑戰也非常相似。接收器必須在有潛在幹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，但同時也會保證儘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信號轉換為頻率較低的中頻信號。混頻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生的無用的頻率分量。

數字接收器(圖2)可以用I/Q解調器或者採樣中頻IF來實現。I/Q解調是由模擬硬體來實現的，在數字射頻接收器的設計中比較常見。儘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(大於90度)，進而會導致圖像抑制的問題。因此，I/Q解調的方式主要用於單通道基站。

Figure 2. 典型的數字通信接收器

接收器的主要測試內容

信道內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字接收器裡面的地位就跟模擬接收器裡面的信號與噪聲諧波比(SINAD)一樣，是衡量數字接收器最重要的性能指標，同時也是靈敏度的衡量方式。當採用一位數據序列進行調製時,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信道上加上幹擾信號後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幹擾信號的能力就是同道抑制能力。

信道外或阻塞測試用於驗證當有信道外信號出現時接收器是否能正常工作以及在此條件下接收器被幹擾後所產生的雜波響應。通常信道外測試包括：

- 雜波抑制能力，它與同道抑制相似，但是幹擾信號是所有頻段的幹擾信號而不僅限於同信道內的。

- 互調抑制能力(intermodulation immunity)用於測試當接收器的輸入包含多個頻率分量時所產生的失真信號。

- 相鄰信道抑制能力用於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

雜散響應或者雜波是由接收器內部或接收器與外部信號的共同作用產生的。這兩種雜波信號都需要被檢測。

在進行雜波信號檢測時，可以用一個負載代替接收器的天線，這樣可以保證接收器的輸入信號沒有幹擾信號，接下來把接收器的輸出連接到頻譜分析儀。這樣，系統內部產生的毛刺都會在頻譜分析儀上出現。系統內部產生的雜波一般源於接收器電源的諧波，系統時鐘或者本振信號。

雜散響應抑制能力用於測試接收器抑制在輸出端由雜散響應產生的無用信號的能力。在進行此項測試之前，我們必須找出所有的內部產生的雜波源,並確保它們沒有超出規定範圍。接下來，我們再給所需射頻信道施加一個在靈敏度範圍以上的調製測試信號，同時用第二個信號發生器提供一個幹擾信號。改變幹擾信號的頻率，觀察和驗證接收器的雜波抑制能力。

檢測互調抑制能力

互調影響是指在輸入信號包含多個頻率分量時由接收器的非線性度而產生一些無用信號。一般用兩個頻率分量的輸入信號來測試接收器的互調特性。我們需要設置幹擾信號讓三階互調分量落在接收器的通帶之中。幹擾信號的能量與其它信號都相等並設定在指定的值，接下來再檢測有用信號的比特誤碼率。

測量相鄰通道和間隔通道的選擇性

相鄰和間隔通道的選擇性指接收器接受本信道有用信號並抵制相鄰通道(通常隔一個通道)或間隔通道（通常指相隔兩個通道）較強信號幹擾的能力。在一些通信應用中，通道比較窄或者間隔通道的能量難於控制，比如說移動無線信號等，這些應用中，上述的測試就非常重要。進行這些測試時，通過信號發生器給待測信道施加一個測試信號，能量與通道靈敏度相關。同時用第二個信號發生器給相鄰或者間隔信通也施加一個信號，此信號的能量被設定在某一特定值，使得測試信號的誤碼率小於某個比例。

除開能量的精度之外，測試信號和幹擾信號的頻譜特徵也很重要。對於很多接收器來說，用於產生幹擾信號的信號發生器的單邊帶(SSB)相位噪聲非常關鍵。如果在中頻濾波器頻段範圍內的相位噪聲過大，接收器測試可能會不能通過。

大的測試安全係數對於接收器在信噪比惡化條件下能正常工作增添信心。對於使用新技術或者變化的頻率系統中，大的測試安全係數可以用來保證這些不確定性。

衰落測試

用於克服多個隨機的無線信道對單一接受信道的影響。在無線環境中，無線信號可能由多個途徑從發送器到達接收器。在接收器的輸入端，這種多徑效應可能會增加信號的幅度(同相)或者減小信號的幅度(反相)。因此，會導致被接收信號的衰落，從而影響信號的接受。

快速的線性衰落會使得基帶脈衝失真。這種失真是線性的，並會產生符號間幹擾。自適應均衡器可以通過消除線性失真來減少符號間幹擾。

緩慢的衰落會導致信噪比的降低。糾錯編碼或者接收分級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：先把測試信號在傳送到接收器之前通過一個無線信道的仿真器，經過仿真器模擬信號的多個路徑，因此到達接收器的信號是多個信號的組合。再有接收器進行信號處理。接收器必須能夠在處理該組合信號時能保證一定的誤碼率。衰落測試的設置與靈敏度測試很類似，只不過多出一個仿真通道。

結論

到目前為止，我們介紹了以下幾種基本測試：相對簡單的存儲器和邏輯晶片測試以及比較複雜的混合信號和射頻/無線晶片測試的獨特測試要求。由此可見，對於不同類型晶片的測試，我們需要根據相應的要求採用不同的測試策略和測試方法。

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