盘点大幅加速流程的无线测试新方案

  随着频率逐渐攀升到新的高度，无线和射频测试的复杂度和成本也在不断增加。事实上，目前千兆赫级频率已相当司空见惯了。简单的AM和FM/PM已被淘汰，为更复杂的数字调制方法所取代。

    二进制相移键控(BPSK)，正交相移键控(QPSK)以及正交幅度调制(QAM)都是目前的常用标准。手机还广泛采用了扩频(CDMA)技术。而同时，其它一些更先进的无线方法则开始采用正交频分复用(OFDM)。

    此外，软件定义无线电(SDR)和认知无线电(CR)、时隙复用协议、雷达之类的突发传输、调频、超宽带(UWB)等带宽技术，以及自适应调制等等专业无线技术，使测试流程愈加复杂化，这给设计人员或测试工程师带来了新的挑战。

    不仅止于此，测试速度也变得前所未有的重要。但现在在工程中仍然是上市时间主宰一切，而测试没有增加任何价值。它只是一种为确保产品正常工作并符合相关指南所产生的成本。制造测试花费的时间越长，成本就越高，利润就越低。

    对手机像这样的大批量商品市场而言，这是很严酷的现实。仅仅今年生产的新电话就超过了10亿部，试想一下测试所花的时间！有制造商指出，若把一项测试的时间减少10ms，每次生产运转就可以节省100万美元。

    尽管如此，在这方面还真有一些鼓舞人心的好消息。总是站在技术最前沿的测试设备制造商认识到了这个问题并开发出了一些很棒的解决方案，可以简化且大幅度加速测试流程。虽然代价是必须做出适当的折衷取舍，但颇为值得，毕竟时间就是金钱。

    常用测试

    在规划无线测试时，应该确保所采用技术的标准给出了需要测量的主要参数。不论该标准是国际标准组织还是认证产品的业界联盟所制定，你都必须获取标准文档，并了解其所有繁琐的细节。在其中你将找到必需进行的特殊测试极其所需设备。

    切记两个事实。首先，射频测量是针对功率而非电压的。仪表和显示系统的读数常常直接以功率单位给出，有时又采用dBm的形式(即dB值是以1mW为参考值的)。表1显示了有效功率和dBm之间的关系。由于所有情况中的目标都是致力于实现最大的功率输送，故电路内和测试仪器与被测器件之间的正确的阻抗匹配是至为关键的。大多数RF测量都采用50Ω的特性阻抗。

    其次，传输线至关重要。其不是同轴电缆，就是带状线或微带线，阻抗是关键。标准特性阻抗为50Ω，所有的阻抗都应该匹配最大功率输送。此外，阻抗还应该匹配最小的反射和高的电压驻波比(VSWR)，以避免效率低下和电路损坏。

    一般而言，射频测试分为两类：一类针对发射器(TX)，另一类针对接收器(RX)。下面给出了部分主要测试，此外还有许多其它的特殊测试。业界各个公司都一直在致力于开发新的测试，不断丰富测试类型。

    发射器测试

    输出功率：

    最重要的测试是末级功率放大器(PA)的功率输出。利用频谱分析仪或向量信号分析仪可以获得良好的测量结果，但大多数情况都要求更高的测量精度，这就需要射频功率计。射频功率计可以提供所需的精度以确保满足任何标准或规范。

    两个常见的功率测量是平均功率和峰值功率，具体选择哪一个取决于所采用的调制方法是什么类型。某些应用中，更复杂的是门控或时控功率测量的要求。比如，采用TDMA技术的GSM手机标准要求在分配的524.6-μs时隙内测量射频突发信号。脉冲射频应用的另一个例子是雷达，其具有非常狭窄的脉冲和随机且间或的编码格式。

    对于CDMA，将测量平均功率，因为信号类似于随机或白色噪声。在必须同时处理多个信号的CDMA PA中，信号(尽管是随机的)可以累加在一起产生高至信号的10到30倍的峰值功率。这类放大器中的一个主要测量参数是振幅因子(crest factor)，又称峰均比(peak-to-average ratio)它可以是功率比或电压比。某些射频功率计可以测量和计算振幅因子。

    另一个主要测量参数是PA的1-dB压缩点。PA的输出功率随输入功率的增加而线性增加，直到某个点。在某些功率级，输出将饱和，这意味着输出功率达到最高值，并基本保持恒定，不再随输入功率的增加而变化(图1)。1-dB压缩点是指输出功率比其线性输出级低1dB时的点。

    当然，放大器进入饱和级状态会增加其压力。更糟糕的是，由于互调失真(Intermodulation Distortion,IMD)效应，非线性响应会产生谐波和伪信号。可以利用频谱分析仪测量谐波和伪信号。

    三阶截取(TOI):

    IMD也是一项常见测试，用以测量放大器中的非线性量。把两个测试信号加载在放大器上，对输出进行测量。f1和f2两个基频信号混合，产生信号和与信号差，以及更高阶的产物。信号和与信号差因为是二阶产物，通常很易于滤除。但所谓的三阶产物，即2f1 - f2与2f2 - f1，却很难滤除，因为它们与两个原始信号非常接近(图2)。

    这些三阶产物可以通过确定TOI来测得。该测试也被称为IP3或IM3，可间接测得TOI的幅度。在图1所示的输出功率与输入功率的关系图中，主曲线的斜率是一。根据定义非线性度的三角式的数学特性，TOI产物的曲线斜率为三。

    需注意，该曲线与主要线性图的交叉点位于放大器的压缩点之上。这是因为无法直接测量TOI。线性图和TOI之间的差距越大，失真越少，互调产物越小。TOI测试也用于接收器。

    误差向量幅度(EVM):

    EVM是对调制质量的测量。它表示发射信号与理想信号的接近程度。由于大多数调制方法都采用信号为同相(I)和正交(Q)格式的数字技术(BPSK、QPSK、QAM、8PSK等)，故输出可用星座图来表示(图3)。

    星座图上的每一个点都代表一个两位或更多位的输出。

    EVM通常表示为误差向量的长度与理想参考向量的长度之比，一般被规格化为最大的符号幅度，并用百分比来表示。

    EVM = (误差向量长度/最大参考向量长度) Ω 100

    邻近信道功率比(ACPR)：

    ACPR是发射信道平均功率与相邻频率信道平均功率之比，让发射器信号通过接收器的滤波器组至邻近射频信道频率而测得。有时被称为邻近信道泄漏比(ACLR)，它测量有多少信号功率泄漏到邻近信道上。

    ACPR最常用于CDMA设备，其信号通常被下行转换为中频(IF)，被数字化并进行快速傅立叶变换(FFT)，然后在频域显示。最后得到的图可以显示出相邻信道功率距离主信号功率有多远(用dBm表示)。

    接收器测试

    接收器灵敏度：

    在这项关键的接收器测试中，通常首先是把所需频率的信号馈入接收器前端，然后利用信号发生器衰减器或外部衰减器进行衰减，直到信号“跑频(drop out)。”一般会对“跑频”做一定的定义说明，比如意指接收器失锁(lose LOCk)的那一点。此外，还在信号中引入噪声以确定信噪比(S/N或SNR)，这时信号不再可读。

    一种确定灵敏度的可行办法是在接收器上进行比特误码率(BER)测试。把一种伪随机比特位格式调制到发生器产生的信号上，再馈送到接收器。对重新获得的比特位与接收到的解调后的比特位进行比较，就可以计算出比特误码率。信号输入幅度继续降低或噪声级提高，直到超过所需BER。

    邻近信道抑制：

    这种测试采用一个或多个信号发生器来产生所需信号以及一个或多个干扰信号。它测试接收器抑制邻近信道信号干扰的能力。

    测试仪器的选择

    有许多专业的RF测试仪器可供选择。其中最主要最常用的有任意波形发生器(AWG)、信号发生器、向量信号发生器、频谱分析仪、向量信号分析仪(VSA)，以及功率计(图4和图5)。这些仪器对实现快速精确的测量至关重要。

    向量发生器和向量分析仪都基于SDR架构，非常适合于现在的无线标准，也有益于测量速度的加快。这是因为SDR架构赋予了这些仪器很强的灵活性――利用额外的软件或固件可以它们被迅速地改变、更新与提高。

    可编程的DSP和/或FPGA或ASIC在发生器中进行调制，在分析仪中进行解调、下行转换和解码。高性能PC机常常用于DSP，并内建于仪器内。可以把专业的软件或固件增加到发生器或分析仪中，将仪器设置为基于特殊无线电技术或无线协议进行测量(表2)。

    示波器虽然不常用于射频测试，但在某些应用中仍大有作为。例如，Tektronix的DPO/DSA70000示波器就是UWB等极大带宽RF信号的理想平台。加上Tektronix的UWB软件，它可以全面测试流行的WiMedia UWB无线电及其它宽带无线设备(图6)。

    大多数测试装置都需要适当的探针和电缆。应该始终使用制造商提供的匹配探针，并需使用带有正确接头的同轴电缆。其它大多数测试中常见的配件包括信号合成器或信号分配器、固定和/或可调衰减器以及隔离器。