IC测试原理解析(第四部分—射频/无线芯片测试基础)

芯片测试原理讨论在芯片开发和生产过程中芯片测试的基本原理，一共分为四章，下面将要介绍的是最后一章。第一章介绍了芯片测试的基本原理，第二章介绍了这些基本原理在存储器和逻辑芯片的测试中的应用，第三章介绍了混合信号芯片的测试。本文将介绍射频/无线芯片的测试。

射频/无线系统会同时包含一个发射器和接收器分别用于发送和接收信号。我们先介绍发射器的基本测试，接下来再介绍接收器的基本测试。

发射器测试基础

如图1所示，数字通信系统发射器由以下几个部分构成：

* CODEC(编码/解码器)

* 符号编码

* 基带滤波器(FIR)

* IQ调制

* 上变频器（Upconverter）

* 功率放大器

CODEC使用数字信号处理方法(DSP)来编码声音信号，以进行数据压缩。它还完成其它一些功能，包括卷积编码和交织编码。卷积编码复制每个输入位，用这些冗余位来进行错误校验并增加了编码增益。交织编码能让码位错误分布比较均匀，从而使得错误校验的效率更高。

符号编码把数据和信息转化为I/Q信号，并把符号定义成某个特定的调制格式。基带滤波和调制整形滤波器通过修整I/Q调制信号的陡峭边沿来提高带宽的使用效率。

IQ调制器使得I/Q信号相互正交(积分意义上)，因此它们之间不会相互干扰。IQ调制器的输出为是IQ信号的组合，就是一个单一的中频信号。该中频信号经过上变频器转换为射频信号后，再通过放大后进行发射。

Figure 1. 通用数字通信系统发射器的简单模块图

先进的数字信号处理和专用应用芯片技术提高了数字系统的集成度。现在一块单一的芯片就集成了从ADC转换到中频调制输出的大部分功能。因此，模块级和芯片级的射频测试点会减少很多，发射器系统级和天线端的测试和故障分析就变得更加重要。

发射器的主要测试内容

信道内测试

* 信道内测试采用时分复用或者码分复用的方法来测试无线数字电路。复用指的是频率或者空间上的复用等。在时分多址(TDMA)技术中，一个信道可以定义为在一系列重复出现的帧里面特定的频段和时隙，而在码分多址(CDMA)技术中，信道定义为特定的码段和频段。信道内和信道外这两个术语指的是我们所感兴趣的频段（频率信道），而不是指频率带宽内信道的时隙或者码段。

* 发射器信道带宽是最先进行的测试，它决定了发射器发射信号的频谱特性。通过频谱的形状和特性可以发现设计上的许多错误，并能大概推算出系统符号速率的错误率。

* 载波频率测试用于测试可能引起相邻频段信道干扰或影响接收器载波恢复的频率误差。在大多数调制方式中，载波频率应处于频谱的中心。可以通过计算3dB带宽来判断中心频率。

* 信道功率测试用于测试有用信号在频率带宽内的平均能量。它通常定义为有用信号能量在信号频率带宽内的平均值，实际的测量方法随着不同的标准会有所不同。无线系统必须保证每个环节消耗的能量最少，这样的目的主要有两个：一是可以减少系统的整体干扰，二是能延长便携系统电池的使用寿命。因此，必须严格地控制输出功率。在CDMA系统中，为了达到最大的容量，系统总的干扰容限也严格限制了每个单个移动单元的功率。精确发射功率控制对系统的容量,覆盖范围和信号质量至关重要.

* 占用带宽跟信道功率密切相关，定义为给定总调制信号功率的百分比所覆盖多少频谱。

* 时间测试常用于TDMA系统中的突发信号测试。这些测试主要用来评估载波包络是否能满足预期的要求，它们包括了突发信号宽度，上升时间，下降时间、开启时间、关闭时间、峰值功率、发射功率、关闭功率以及占空比等。时间测试可以保证相邻频率信道之间的干扰以及信号开启或者关闭的时隙切换时的干扰最小。

* 调制品质的测试通常涉及到发射信号的精确解调并与理想的数学计算出来的发射信号或参考信号进行比较。实际的测量随着不同的调制方式和不同的标准会有不同的方法。

* 误差矢量幅度(EVM)是应用最广泛的数字通信系统调制品质参数，它采样发射器的输出端的输出信号，获得实际信号的轨迹。通常把输出信号解调后得到一个参考信号。矢量误差是指某个时间理想的参考信号与实际所测的信号的差别，是一个包含幅度分量和相位分量的复数。通常，EVM会采用最大的符号幅度分量或者平均符号功率的平方根。

* I/Q偏置(固有偏置origin offsets)是由I/Q信号的直流偏置引起的，可能会导致载波反馈。

* 相位和频率误差测试用于等幅调制方式。通过采样发射器的输出信号并捕获实际的相位轨迹，解调后得到一个理想的参考相位轨迹。相位误差是通过比较实际信号和理想参考信号而得到的，并以有效值和峰值的形式表示。大的相位误差说明发射器基带或者输出放大器有问题，导致信号灵敏度的下降。频率误差是指载波频率的误差。一个稳定的小频率误差说明正在使用的载波可能有些问题。不稳定的频率误差可能是由以下这些原因引起的：本地振荡器的不稳定，使用了不适当的滤波器，放大器的幅度调制相位调制转换有问题，或是所使用发射器模拟频率调制器的调制指数有问题，

信道外测试

* 信道外测试是指对那些在系统频率以外频段的测量。

* 信道外测试是对系统频段内的失真或者干扰进行采样，而不是对传输频率本身进行测试

* 相邻信道功率比(ACPR)测试保证发送器不受相邻或者间隔通道的干扰。ACPR就是相邻信道平均功率与发射信道平均功率的比值。通常是在间隔多个信道的信道之间进行测量(与相邻信道或间隔信道之间)。当进行ACPR测试的时候，要考虑到发射信号的统计特性非常重要，因为即使对于同一发射器来说，不同的信号统计会导致不同的ACPR测试结果。对于不同的标准，该测试通常会具有不同的名字和定义。

* 杂波信号是由发射器内不同的信号组合而引起的。在系统频带内这种信号的幅度必须要小于标准所规定的水平，以保证它对其它通信系统的干扰最小。

* 谐波是由发送器的非线性而引起的信号失真，这些信号的频率都是载波频率的整数倍。信道外杂波和谐波的测试用于保证本信道对其它通信系统的干扰最小。

接收器基本测试

接收器的功能基本上是发送器的反向过程，因而它们带来的测试挑战也非常相似。接收器必须在有潜在干扰的条件下成功地捕获RF信号，因此，必须有一个前端选择滤波器来滤除或减弱由天线接受到的系统频段以外的信号。低噪声放大器(LNA)可以放大目标信号的幅度，但同时也会保证尽可能少地增加噪声幅度，下变频器通过与本振信号混频把RF信号转换为频率较低的中频信号。混频器的输出信号再通过中频滤波器削弱由混频器或相邻通道产生的无用的频率分量。

数字接收器(图2)可以用I/Q解调器或者采样中频IF来实现。I/Q解调是由模拟硬件来实现的，在数字射频接收器的设计中比较常见。尽管这种方法很受欢迎，但它有一个潜在的问题：I/Q路径上的增益会不太一致，而且相对的相位偏差也很大(大于90度)，进而会导致图像抑制的问题。因此，I/Q解调的方式主要用于单通道基站。

Figure 2. 典型的数字通信接收器

接收器的主要测试内容

* 信道内测试用来测试接收器在一定的允许误码率的情况下能接受的最小的信号幅度，又称作灵敏度。接收器能正确捕获低幅度输入信号的能力就是该接收器的灵敏度。

* 比特误码率和桢误码率是在数字接收器里面的地位就跟模拟接收器里面的信号与噪声谐波比(SINAD)一样，是衡量数字接收器最重要的性能指标，同时也是灵敏度的衡量方式。当采用一位数据序列进行调制时,可接受的灵敏度是指在指定误码率的条件下最小接收信号的幅度。测量该参数时需要通过衰减已知的电缆分别把信号源施加到接收器的天线端，以及把接收器的输出端连接到比特误码率检测设备上。测试时，如果不知道大概的灵敏度，那就最先把信号的幅度设置到通常的水平(比如-90dBm),接下来递减幅度，直到比特误码率达到指定值。此时，信号的功率值减去电缆的损耗就是灵敏度。

* 同道抑制能力测试与灵敏度测试相似。测试时，在相同RF信道上加上干扰信号后检测接收信号的扭曲水平。接收器能保持对所需信号的灵敏度同时抑制干扰信号的能力就是同道抑制能力。

* 信道外或阻塞测试用于验证当有信道外信号出现时接收器是否能正常工作以及在此条件下接收器被干扰后所产生的杂波响应。通常信道外测试包括：

- 杂波抑制能力，它与同道抑制相似，但是干扰信号是所有频段的干扰信号而不仅限于同信道内的。

- 互调抑制能力(intermodulation immunity)用于测试当接收器的输入包含多个频率分量时所产生的失真信号。

- 相邻信道抑制能力用于测试当相邻信道具有强信号时接收器的接受能力。

检测杂波抑制能力

杂散响应或者杂波是由接收器内部或接收器与外部信号的共同作用产生的。这两种杂波信号都需要被检测。

在进行杂波信号检测时，可以用一个负载代替接收器的天线，这样可以保证接收器的输入信号没有干扰信号，接下来把接收器的输出连接到频谱分析仪。这样，系统内部产生的毛刺都会在频谱分析仪上出现。系统内部产生的杂波一般源于接收器电源的谐波，系统时钟或者本振信号。

杂散响应抑制能力用于测试接收器抑制在输出端由杂散响应产生的无用信号的能力。在进行此项测试之前，我们必须找出所有的内部产生的杂波源,并确保它们没有超出规定范围。接下来，我们再给所需射频信道施加一个在灵敏度范围以上的调制测试信号，同时用第二个信号发生器提供一个干扰信号。改变干扰信号的频率，观察和验证接收器的杂波抑制能力。

检测互调抑制能力

互调影响是指在输入信号包含多个频率分量时由接收器的非线性度而产生一些无用信号。一般用两个频率分量的输入信号来测试接收器的互调特性。我们需要设置干扰信号让三阶互调分量落在接收器的通带之中。干扰信号的能量与其它信号都相等并设定在指定的值，接下来再检测有用信号的比特误码率。

测量相邻通道和间隔通道的选择性

相邻和间隔通道的选择性指接收器接受本信道有用信号并抵制相邻通道(通常隔一个通道)或间隔通道（通常指相隔两个通道）较强信号干扰的能力。在一些通信应用中，通道比较窄或者间隔通道的能量难于控制，比如说移动无线信号等，这些应用中，上述的测试就非常重要。进行这些测试时，通过信号发生器给待测信道施加一个测试信号，能量与通道灵敏度相关。同时用第二个信号发生器给相邻或者间隔信通也施加一个信号，此信号的能量被设定在某一特定值，使得测试信号的误码率小于某个比例。

除开能量的精度之外，测试信号和干扰信号的频谱特征也很重要。对于很多接收器来说，用于产生干扰信号的信号发生器的单边带(SSB)相位噪声非常关键。如果在中频滤波器频段范围内的相位噪声过大，接收器测试可能会不能通过。

大的测试安全系数对于接收器在信噪比恶化条件下能正常工作增添信心。对于使用新技术或者变化的频率系统中，大的测试安全系数可以用来保证这些不确定性。

衰落测试

用于克服多个随机的无线信道对单一接受信道的影响。在无线环境中，无线信号可能由多个途径从发送器到达接收器。在接收器的输入端，这种多径效应可能会增加信号的幅度(同相)或者减小信号的幅度(反相)。因此，会导致被接收信号的衰落，从而影响信号的接受。

快速的线性衰落会使得基带脉冲失真。这种失真是线性的，并会产生符号间干扰。自适应均衡器可以通过消除线性失真来减少符号间干扰。

缓慢的衰落会导致信噪比的降低。纠错编码或者接收分级能够克服缓慢衰减的这种影响。

衰减测试可以通过以下步骤来完成：先把测试信号在传送到接收器之前通过一个无线信道的仿真器，经过仿真器模拟信号的多个路径，因此到达接收器的信号是多个信号的组合。再有接收器进行信号处理。接收器必须能够在处理该组合信号时能保证一定的误码率。衰落测试的设置与灵敏度测试很类似，只不过多出一个仿真通道。

结论

到目前为止，我们介绍了以下几种基本测试：相对简单的存储器和逻辑芯片测试以及比较复杂的混合信号和射频/无线芯片测试的独特测试要求。由此可见，对于不同类型芯片的测试，我们需要根据相应的要求采用不同的测试策略和测试方法。