基于ATE推動(dòng)WiMAX射頻測試與特征描述

事實(shí)證明，WiMAX收發(fā)器件有益于消費(fèi)電子市場的發(fā)展，它們在此找到了多種用途，其中包括把WiFi熱點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)。為確保器件按預(yù)想的那樣工作，并且使它們迅速上市，器件制造商們需要先進(jìn)的多功能測試設(shè)備和同樣先進(jìn)的測試軟件。

WiMAX的能力

WiMAX是一種射頻技術(shù)，用來代替有線DSL或電纜來提供“最后一英里”寬帶接入。該技術(shù)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，工作距離為數(shù)公里，而WiFi (IEEE 802.11)提供的距離是數(shù)十米或數(shù)百米。

廣泛采用的WiMAX載波頻率包括2.3GHz、2.5GHz和3.5GHz，信道帶寬為3.5MHz、5MHz、7MHz、10MHz。正如其它數(shù)字調(diào)制方案那樣，WiMAX利用更簡單的調(diào)制方案和更慢的數(shù)據(jù)速率來提供更長的傳輸路徑。若路徑長度較短，則復(fù)雜的調(diào)制方案可提供誤碼率(BER)很低的高數(shù)據(jù)速率。為了達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，WiMAX器件利用多條MIMO信道。

WiMAX的“姊妹”版本是韓國電信業(yè)開發(fā)的WiBro (Wireless Broadband)。該技術(shù)也稱作移動(dòng)WiMAX，并被包含在IEEE 802.16e中。它被分配了一個(gè)略微不同的頻帶，以2.3GHz為中心。

WiMAX使用OFDM，這種復(fù)用方法把帶寬分成多個(gè)頻率子載波。在OFDM系統(tǒng)中，輸入數(shù)據(jù)流被分成了幾個(gè)數(shù)據(jù)速率更低的并行子流，每個(gè)子流均得到調(diào)制，并在單獨(dú)的正交子載波上傳輸。在10MHz信道帶寬中，基站和移動(dòng)裝置之間的下行鏈路的數(shù)據(jù)速率有可能達(dá)到63 Mbps，并且上行鏈路上有可能達(dá)到28Mbps（圖1）。

圖1，WiMAX調(diào)制方案包括正交相移鍵控和16點(diǎn)正交相移調(diào)幅。

在早期的移動(dòng)設(shè)備中，相內(nèi)(I)和正交(Q)信息以模擬格式從基帶處理器傳輸?shù)皆O(shè)備的射頻部分。在目前高度集成的設(shè)備中，ADC、DAC與射頻電路駐留在相同封裝中，構(gòu)成了射頻器件與數(shù)字基帶處理器或數(shù)字總線之間的鏈路。把ADC和DAC從基帶處理器中移出來，放到射頻器件中，就有可能用最小的光刻尺寸來制造處理器，這可降低材料成本。圖2描繪了典型射頻MIMO收發(fā)器的布局，帶有數(shù)字接口和多個(gè)射頻端口。

圖2，WiMAX 2x2 MIMO收發(fā)器框圖。

WiMAX測試系統(tǒng)要求

為了在高吞吐率的制造流水線上測試WiMAX收發(fā)器，自動(dòng)化測試設(shè)備(ATE)系統(tǒng)需要以下關(guān)鍵能力：

• 數(shù)字供應(yīng)和記錄速度與被測器件(DUT)相同；

• 用相位噪聲較低的時(shí)鐘來為合成器提供基準(zhǔn)；

• 潔凈電源與中繼控制用輔助控制電路；

• 射頻供應(yīng)與記錄；

• 多個(gè)射頻端口，可被輕松校準(zhǔn)來獲得準(zhǔn)確的信號(hào)電平；

• 供應(yīng)和記錄WiMAX調(diào)制信號(hào)的方法。

ATE系統(tǒng)還需具有足夠的硬件和軟件資源，以便用很高的并行程度來執(zhí)行多站點(diǎn)測試。利用并行測試，系統(tǒng)測試數(shù)個(gè)器件所需的總測試時(shí)間應(yīng)能接近單站點(diǎn)系統(tǒng)測試一個(gè)器件所需的時(shí)間。

測試開發(fā)期間，測試者應(yīng)恰當(dāng)安排測試儀資源，使負(fù)載板的復(fù)雜度最低。從測試工程師的角度看，這使得依照測試儀交付平面來校準(zhǔn)射頻信號(hào)電平的工作能夠自動(dòng)完成。器件設(shè)計(jì)應(yīng)使最終組裝產(chǎn)品的PCB上的元件數(shù)量最少，并因此降低材料成本。同理，ATE負(fù)載板的元件也應(yīng)盡可能少。元件數(shù)量最少的“潔凈”負(fù)載板需要的設(shè)計(jì)、布局、構(gòu)建、調(diào)試時(shí)間較短，并且事實(shí)證明，它們在批量生產(chǎn)時(shí)也更可靠。

為了測試MIMO器件，測試儀需要提供多個(gè)接收器來并行記錄器件的發(fā)射信號(hào)。它把記錄的波形傳輸給調(diào)制分析包，后者能與多個(gè)輸入流連接，并分析綜合信息。同樣的流程適用于接收路徑，此處的多個(gè)數(shù)字記錄引擎需要同時(shí)記錄來自各器件接收器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

一個(gè)2×2 MIMO器件有2個(gè)輸入接收端口和2個(gè)輸出發(fā)射端口。若要在4站點(diǎn)環(huán)境中測試此類器件，則測試儀必須提供8條射頻供應(yīng)信道和8條射頻記錄信道。為避免在器件接口板(DIB)上使用分配器或射頻開關(guān)，ATE需要提供16個(gè)射頻端口。

四站點(diǎn)應(yīng)用需要4路高純度基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入，每路用于每個(gè)DUT的合成器。時(shí)鐘輸入的相位噪聲必須很低，這至關(guān)重要，這是由于時(shí)鐘相位噪聲會(huì)影響器件的性能。配備良好時(shí)鐘源的測試儀在DIB上無需分配器或晶體。晶體具有良好的相位噪聲，但它們的頻率并未鎖定到ATE，因此它們可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)字同步問題。因此，如果測試儀不需要晶體，測試者就將獲得更好的測試結(jié)果。

WiMAX器件面臨的測試難題

WiMAX器件必須經(jīng)歷一系列測試，來確保它們用在無線電設(shè)備中時(shí)將會(huì)恰當(dāng)工作。這系列測試一般包括：

* 連續(xù)性與泄漏測試，以便確保封裝和靜電放電保護(hù)正確；

* 數(shù)字類型測試（包括掃描格式的一些測試）；

* 對轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng) INL、DNL、THD性能測量；

* 對DUT各種工作模式的電源功耗測量；

* 射頻收發(fā)操作，以便測試正弦波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的規(guī)格。

首先可以測試來確定器件是否在工作，是否需要進(jìn)一步測試。但是這一步的時(shí)間效率也許不高，這取決于成品率和測試方法。

你也許不必按照上述順序執(zhí)行測試，這是因?yàn)橐恍y試儀在后臺(tái)執(zhí)行DSP功能時(shí)，還可同時(shí)執(zhí)行其它測試，比如需要大型數(shù)字圖案的測試。提供此類并行測試的測試儀能幫助優(yōu)化總測試時(shí)間。

隨著器件變得更加復(fù)雜，對于設(shè)計(jì)者而言，在其中包含“面向測試的設(shè)計(jì)”特性就變得至關(guān)重要起來。例如，一條測試總線的若干測試模式被設(shè)計(jì)到了DUT中，它幫助把信號(hào)輸送到正常工作時(shí)不使用的觀察點(diǎn)。這種可見性幫助測試工程師準(zhǔn)確測試DUT的某個(gè)塊或部分。

對WiMAX收發(fā)器的射頻發(fā)射部分所做的經(jīng)典連續(xù)波(CW)測試包括輸出功率、載波和邊帶抑制測量。測試者還可執(zhí)行發(fā)射測試來測量本地振蕩器(LO)抑制。這并非常規(guī)發(fā)射測試，但他們應(yīng)該知道發(fā)射引腳位置有多少LO泄漏，并且因此被天線輻射了多少。這個(gè)電平很低，并且無法用經(jīng)典的CW方法來測試LO的相位噪聲。

在接收端，增益、增益線性、圖像抑制、三階截取(IP3)都是關(guān)鍵的CW測試。接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)是另一項(xiàng)應(yīng)該考慮的測試。對于RSSI，器件自己的接收電平指示提供了一項(xiàng)良好的接收功能基本測試。RSSI測試通常需要讀取寄存器值，這可能是非常方便的一步，尤其是在晶圓探測期間，此時(shí)滿負(fù)荷的射頻測試儀經(jīng)常不能供利用，并且在執(zhí)行一個(gè)測試子集。

射頻調(diào)制測試

調(diào)制測試按照器件在最終應(yīng)用中的使用方式來檢查器件。這提供了一個(gè)優(yōu)勢——對無線電設(shè)備作為完整系統(tǒng)的性能執(zhí)行測量。

對發(fā)射端做的一項(xiàng)典型調(diào)制測試就是誤差矢量幅度(EVM)，也稱作接收器星座誤差(RCE)。EVM測量星座點(diǎn)距離理想值有多遠(yuǎn)，EVM越低越好（圖3）。

圖3，EVM計(jì)算表明了基準(zhǔn)與星座圖上的觀察點(diǎn)之間的差異，這是由相位誤差和幅度誤差引起的。

在理想的情況下，調(diào)制信號(hào)的星座點(diǎn)將位于各自的理想位置。但由LO的相位噪聲、非線性、圖像抑制和其它問題引起的器件缺陷會(huì)導(dǎo)致星座點(diǎn)處于不理想的位置，因此限制數(shù)據(jù)速率。

信道掩碼測試是另一項(xiàng)常見的調(diào)制發(fā)射測試，記錄到比信道更寬的帶寬，并且測量工作信道之外的信號(hào)電平，來確保它是低電平，并處于規(guī)格之內(nèi)。

對于接收路徑，測試經(jīng)常測量EVM和誤碼率。BER是錯(cuò)誤比特與正確比特之比，越小越好。BER測試對DUT收到的調(diào)制射頻信號(hào)做測量，并計(jì)算正確接收和錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)量。BER測試一般很耗時(shí)，這是因?yàn)樗ê荛L時(shí)間來測試很低的BER電平。

射頻調(diào)制測試也可用于濾波器測試。一種包含1個(gè)基帶分量和3至6個(gè)滾降帶和阻帶分量的多音信號(hào)可用于迅速確定器件濾波器的3 dB點(diǎn)和阻帶性能。這種多音信號(hào)方法可用于接收濾波器和發(fā)射濾波器，主要優(yōu)點(diǎn)是在數(shù)字域或視頻域只需要一次記錄。

調(diào)制測試提供關(guān)于DUT在完整系統(tǒng)中的性能的有用信息。如果DUT未能通過這些測試，則它們的工作表現(xiàn)很可能不會(huì)令人滿意。遺憾的是，在生產(chǎn)環(huán)境中很難準(zhǔn)確指出是器件的哪個(gè)塊導(dǎo)致了問題。如需確定邊際射頻性能，CW測試和調(diào)制測試應(yīng)被認(rèn)為是必要的。

臺(tái)式設(shè)備幫助完成特征描述

射頻器件的特征描述是在開發(fā)臺(tái)上完成的，一些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備專門用來模擬器件在最終使用中的工作狀況，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來測試器件。該過程涉及面廣泛而耗時(shí)，并需要大量臺(tái)式設(shè)備。

由于使用了與ATE領(lǐng)域相同的工具，因此實(shí)驗(yàn)室人員和生產(chǎn)人員有機(jī)會(huì)更密切合作，并使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和射頻標(biāo)準(zhǔn)的相同波形和分析方法。實(shí)驗(yàn)室人員在實(shí)驗(yàn)室中需要耗費(fèi)的小時(shí)數(shù)將會(huì)減少，而生產(chǎn)人員將更快獲得與器件設(shè)置條件、寄存器值等等有關(guān)的各種問題的答案。

今天的實(shí)驗(yàn)室人員和生產(chǎn)人員能比前輩們更輕松地共享數(shù)據(jù)，這是因?yàn)槎鄶?shù)較新式的ATE系統(tǒng)均基于PC，并且運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能對許多器件迅速運(yùn)行測試，并能在需要時(shí)，用不同電源軌來迅速重新運(yùn)行測試，并且測試結(jié)果可被自動(dòng)導(dǎo)出到Excel工作簿等等電子數(shù)據(jù)表中。工程師們?nèi)缓竽芤詧D形方式繪制測試結(jié)果，這帶來了方便的可視化分析以及與其他團(tuán)隊(duì)成員和管理層之間的共享。

在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)過程中使用相同的分析工具，可極大增加臺(tái)式測量與ATE測量之間建立相關(guān)性的機(jī)會(huì)，但仍需要技巧來處理兩個(gè)地點(diǎn)所用的不同DUT插座等等因素。另外，ATE板很可能將比實(shí)驗(yàn)室評估板厚許多，并且電源解耦位置和射頻信號(hào)交付路線也將不同，需要測試工程技巧。

但是，由于調(diào)制工作所用的工具相同，因此綜合團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室的工作將會(huì)更少，在測試儀上開展的工作會(huì)更多，會(huì)更快并以更大的批量交付工程樣品。擁有相同的ATE和臺(tái)式調(diào)制調(diào)試顯示器和設(shè)置文件也很有幫助。根本之處在于能及時(shí)交付經(jīng)過全面測試并且符合客戶期望的WiMAX器件。