Teledyne e2v的四通道ADC為5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)測試測量帶來重大變革
Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190(采用交叉點開關(guān)輸入電路技術(shù)的12位和10位四通道ADC)使RF ATE和現(xiàn)場測試設(shè)備的開發(fā)可以集中于單通道和多端口5G NR設(shè)備的自動校準(zhǔn)測試和測量。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202007/416082.htm兩代之間的問題
5G是通信行業(yè)的第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),從2019年開始在世界范圍應(yīng)用。5G是現(xiàn)在大多數(shù)手機使用的4G網(wǎng)絡(luò)的繼任者,帶寬更大,下載速度高達10 Gbit/s。 由于帶寬的增加,現(xiàn)在的4G手機將無法使用新的網(wǎng)絡(luò),這種新的網(wǎng)絡(luò)需要支持5G的無線設(shè)備。另一方面,5G也需要兼容諸如帶寬等所有的4G網(wǎng)絡(luò)需求。
因此,為了保證廣泛的服務(wù),5G網(wǎng)絡(luò)將工作在三種頻段:低頻段、中頻段和高頻段。低頻段5G(也稱作次1 GHz)使用和4G(600-700 MHz)相似的頻率范圍,可支持稍高于4G的下載速度(30-250 Mbit/s)。
中頻段5G(也稱作次6 GHz)的頻率范圍是2.5-3.7 GHz(下載速度是100-900 Mbit/s)。這一服務(wù)將在2020年覆蓋大多數(shù)的大城市區(qū)域。
高頻段5G(也稱作毫米波)使用26、28或39 GHz的頻率。上述的5G頻段都在2020年經(jīng)過測試,而新的中頻段(次6 GHz)預(yù)計在將來的幾個月或幾年內(nèi)實現(xiàn)(當(dāng)前有超過50個5G NR中頻段在世界范圍內(nèi)使用)。
2018年,一個5G的行業(yè)聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)(第三代合作工程(3GPP))定義了使用5G NR(5G新無線電)軟件的系統(tǒng)。5G最終將支持大約每平方千米1M個設(shè)備,而現(xiàn)在的4G支持大約每平方千米100K個器件。當(dāng)然,5G無線設(shè)備將兼容4G LTE功能,因為新的5G網(wǎng)絡(luò)將使用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)初步實現(xiàn)手機的連接。關(guān)鍵是,未來的5G器件不僅需滿足不斷發(fā)展的5G性能需求,還需兼容之前的2G/3G/4G/5G(GSM/EDGE/CDMA/UMTS/WCDMA/LTE/LTEA/TD-SCDMA/TD-LTE等)。
因此,未來的5G NR ATE系統(tǒng)需使用一種可靠的、可重復(fù)的方式在較寬的頻率范圍測試器件的性能,這種方式需支持自動校準(zhǔn)和測量以確保結(jié)果相互關(guān)聯(lián)并減少測試誤差。
圖1b 簡化框圖:DIB/DUT的自動測量
誤差帶來的麻煩
參數(shù)化RF ATE測量環(huán)境中DUT(測試的器件)外部的不確定度/誤差需要采用能準(zhǔn)確并可靠測量DUT/產(chǎn)品性能的測量方法以提高測量的精確度。測試并量化測量的不確定度是獲得理想測量結(jié)果的關(guān)鍵。
一般來說,測量結(jié)果的準(zhǔn)確度通常是值得懷疑的,因為所有的測量都受物理和電氣環(huán)境的影響,并受到使用的源/測試器件/儀器的限制。因而,測量的值永遠不會等于測試的DUT/性能的真實值。測量值和真實性能值之間的差別叫做誤差。依據(jù)誤差的來源(DUT外部),這些誤差可被大致地分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差。隨機誤差是隨機的,它們來源于測試設(shè)備和測試環(huán)境的不可預(yù)測的時間或空間變化。通常難以追蹤和量化隨機誤差如何影響DUT的測量結(jié)果。隨機誤差主要由RF ATE環(huán)境的變化引起,如溫度變化、連接變化、儀器噪聲和失真,也包含連接和線纜的誤差。
系統(tǒng)誤差是可重復(fù)的誤差,一般可以被修正,但無法全部消除。系統(tǒng)誤差僅可被減小到某個程度。校準(zhǔn)的概念通常指估算RF ATE測試環(huán)境中的系統(tǒng)誤差并修正。為了成功修正系統(tǒng)誤差,通常需要校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)或參考的器件。這個標(biāo)準(zhǔn)或參考器件應(yīng)該能以較高的精確度代表或復(fù)現(xiàn)某個測量流程。校準(zhǔn)流程一般是用測量系統(tǒng)測量/測試這個標(biāo)準(zhǔn)/參考器件,并將測量結(jié)果存儲為原始數(shù)據(jù)。通過比較這個標(biāo)準(zhǔn)/參考器件的原始測量數(shù)據(jù)和已知的數(shù)值,可計算出系統(tǒng)誤差。這個誤差的值隨后被用于修正測量結(jié)果。不幸的是,對于5G NR ATE測試設(shè)備,包括DIB(設(shè)備接口板)、探針卡、線纜和連接等,標(biāo)準(zhǔn)/參考器件有各種各樣的高頻率和測試條件,這使得問題變得非常復(fù)雜。另一種校準(zhǔn)的方法是定義一個參考平面。這個參考平面是通過估算并修正測試系統(tǒng)環(huán)境的系統(tǒng)誤差得出。不幸的是,隨機誤差無法通過參考平面環(huán)境修正。當(dāng)前RF/5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)環(huán)境迫切需要一種使用自動/校準(zhǔn)和測量技術(shù)為每個DUT創(chuàng)建一個參考平面的解決方案。
圖2 通用6腳5G NR LNA DUT(不連接外圍器件)
獨立器件的自動校準(zhǔn)和測試測量
為RF ATE環(huán)境中的每個DIB(設(shè)備接口板)/DUT創(chuàng)建一個參考平面需要定義一個校準(zhǔn)流程(圖1a和1b)。 校準(zhǔn)通常使用一套標(biāo)準(zhǔn)。理想狀態(tài)下,這個標(biāo)準(zhǔn)采用一個“金參考器件”DIB/DUT,與通常的DIB/DUT測量(步驟2)相比,其累計誤差只有不到一半或四分之一(步驟1)。如果可得出這一誤差( 步驟1),則可認為標(biāo)準(zhǔn)的累計測量方法足以滿足實際的DIB/DUT測試(步驟2)。一直維持RF ATE環(huán)境中不同的頻率、噪聲和電壓條件下最小的“金標(biāo)準(zhǔn)/參考器件”測量誤差是一件非常困難、耗時和昂貴的工作。
當(dāng)然,器件的互聯(lián)和變化也會顯著影響創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的參考平面和DIB/DUT的校準(zhǔn)(包括多設(shè)備接口板(DIB)異常、DIB/DUT接觸/器件變化、線纜/連接器阻抗、源/測量儀器變化等)??紤]到上述的內(nèi)容,5G NR設(shè)備的校準(zhǔn)流程需使用一套標(biāo)準(zhǔn)的手動的測試方法創(chuàng)建參考平面(引入大的隨機誤差),然后采用自動測試方法去除系統(tǒng)誤差源。
圖2表示一個通用的6腳(表面貼裝封裝)的5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT(不連接外圍器件)。這個LNA的測試樣本需在RF ATE環(huán)境下測試,這個環(huán)境需要在測試之前校準(zhǔn),以確定參考平面。典型的用于LNA的RF ATE測試包括:
● 工作頻率范圍(有超過50個5G NR網(wǎng)絡(luò)頻帶)
● 增益/插入損耗
● 頻率范圍的增益平坦度
● 噪聲圖
● 輸入/輸出回波損耗
● 輸入IP3
● 輸出IP3
除了測試這種LNA設(shè)備,實際的RF ATE環(huán)境還需擁有測試其它類型的5G NR類型設(shè)備(耦合器、衰減器、濾波器、VGA等)的能力。因此,還需考慮多端口測試的情況。
圖3 通用6腳5G NR LNA DUT/DIB(連接外圍器件)
圖3表示相同的通用6腳(表面貼裝封裝)5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT,但是帶有正常工作所需的外部器件。這些器件盡可能近地安裝在DIB上。實際上,由于高頻激勵,圖3的測量和校準(zhǔn)比圖2復(fù)雜得多。DUT和DIB之間的異常包括:
● 衰減器不匹配和損耗誤差(需要阻抗匹配和改變DUT輸入/輸出電平)
● 輸入和輸出之間的電感性能變化
● 控制線和門驅(qū)動之間的相互作用的變化
● 接地環(huán)路
● 線纜/連接阻抗
● 每個測試模塊的測試系統(tǒng)連接的阻抗變化
如前所述,隨著在DUT中增加了信號鏈中的多個器件,校準(zhǔn)的問題也會更復(fù)雜。隨著變量的增加,校準(zhǔn)和自動測試誤差呈指數(shù)級增加。
圖4 概念框圖:自動校準(zhǔn)5G NR RF ATE測量/測試系統(tǒng)
因此,未來5G NR ATE系統(tǒng)和現(xiàn)場電信測試設(shè)備需要具有在寬頻率范圍和不同測試條件下可靠、可重復(fù)、相關(guān)聯(lián)(考慮到前面所述的誤差)測試的能力。它也需要一種自動校準(zhǔn)技術(shù),不依靠手動校準(zhǔn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建參考平面。圖4表示一個簡化/概念性的自動校準(zhǔn)5G NR RF ATE測量系統(tǒng)的框圖,可用于任何DIB/DUT,無論是單端口還是多端口,是否有外圍器件。
為了保證RF ATE系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠性、可重復(fù)的測試,測試工程師必須填補昂貴的測量儀器的面板上的高質(zhì)量連接器和DIB/DUT的接口之間的空白。DUT的電氣接口(探針卡或封裝適配接口卡)通常集成在DIB內(nèi)部,卻很少與相同類型的高質(zhì)量連接器匹配。源端(到DUT)和接收端/測量設(shè)備(來自DUT)之間大量的線纜/連接器以及DIB會引入大量的隨機誤差和系統(tǒng)誤差。
為了補償這些誤差,簡化的RF ATE測試配置(圖4)允許DUT端口的自動校準(zhǔn)和測量,無需手動校準(zhǔn)技術(shù)為每個獨立的DIB/DUT創(chuàng)建參考平面。圖4簡單地通過直接測量測試配置誤差并在最終的DUT測量值中糾正這些誤差(原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值)使校準(zhǔn)/測試測量的流程實現(xiàn)自動化。具體實現(xiàn)方法是,首先,內(nèi)部交叉點開關(guān)(CPS)會自動切換到“校準(zhǔn)誤差測量”模式,從而允許ADC測量RF吞吐量,這包含以下的誤差:
● 直接RF天線/源噪聲和失真
● DUT的輸入回波損耗/衰減器誤差
● 電源誤差
● 接地誤差
● 輔助源/驅(qū)動問題(如上述的控制端口的例子)
● 連接器和線纜誤差/變化
這個測量結(jié)果被存儲為校準(zhǔn)誤差測量值。隨后CPS自動切換至“原始測試測量”模式,ADC對DUT(連接所需的外圍器件)進行同樣的測量,數(shù)據(jù)被存儲為原始測試測量值。這兩個測量值經(jīng)過軟件的處理,得出自動校準(zhǔn)/修正的最終測試測量結(jié)果。內(nèi)部的CPS允許RF ATE工程師通過一系列的測試自動重配置DIB/DUT,無需手動干預(yù)和重校準(zhǔn)。 類似地,如果DIB/DUT包含多個器件,可通過四通道ADC和四輸入交叉點開關(guān)(CPS)實現(xiàn)多個端口的測量和自動校準(zhǔn)/修正,隨后將詳細介紹這一點。
圖5 簡化框圖:自動校準(zhǔn)誤差測量
5G NR ATE DUT自動校準(zhǔn)和測試測量
圖5和圖6描述了使用Teledyne e2v的四通道、多輸入端口并集成了非并行片上高頻交叉點開關(guān)(CPS)的ADC的5G NR ATE自動校準(zhǔn)和測試測量系統(tǒng)的自動化解決方案。 Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190(12位和10位四通道集成交叉點開關(guān)的ADC)使得5G NR ATE和現(xiàn)場測試設(shè)備可針對單個通道(圖5, 6和7)和多端口5G NR設(shè)備(如下一節(jié)所示)進行自動校準(zhǔn)測量測試。
CPS有四種不同的模式(可通過SPI控制自動使能):
● 1通道模式IN0輸入:四通道ADC交織成最高采樣率6.4 Gsps(4 x1.6 Gsps)
● 1通道模式IN3輸入:同上
● 2通道模式IN0輸入連接到ADC A和B,IN3連接到ADC C和D,每通道最高采樣率3.2 Gsps(2 x 1.6 Gsps)
● 4通道模式IN0-IN3輸入分別連接到ADC A, B, C, D,每通道最高采樣率1.6 Gsps
另外,EV12AQ605的擴展輸入帶寬超過6 GHz(EFPBW),允許C波段(4-8 GHz)的信號直接采樣,無需通過下變頻器將信號變換到基帶(直接RF采樣)。
圖5是自動校準(zhǔn)測量的簡化框圖。CPS設(shè)置成1通道(IN0輸入)模式,ADC(A, B, C, D)測量DIB/DUT的RF吞吐端口,而斷開DIB/DUT的RF輸出端(也由CPS實現(xiàn))。這種“校準(zhǔn)誤差測量”采樣DIB/DUT(輸入)的聯(lián)合誤差:
● 直接RF天線/源噪聲和失真
● 到DUT的輸入回波損耗/衰減器/濾波器誤差
● 電源和接地的誤差
● 來自DUT的輸入/回波損耗/接觸誤差
● DUT所需的DIB包含的輔助源/驅(qū)動/器件問題
● 連接器和線纜誤差/變化等
這些ADC的測量結(jié)果被存儲為“校準(zhǔn)誤差測量值”。
圖6 簡化框圖:自動校準(zhǔn)原始測試測量
圖6是原始測試測量的簡化框圖。在獲得校準(zhǔn)誤差測量值之后,CPS切換到1通道(IN3輸入)模式,ADC(A, B, C, D)測量DIB/DUT的RF輸出端口,而斷開DIB/DUT的RF吞吐端口(由CPS實現(xiàn))。這種“原始測試測量”采樣DIB/DUT(輸入)/
DUT(輸出)的聯(lián)合性能和誤差,如:
● 前面的校準(zhǔn)誤差測量中提到的誤差
● 加上DUT RF輸出性能
ADC的測量結(jié)果被存儲為“原始測試測量值”。最終的DUT測量值由下式計算出:原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值。
圖7是同時進行校準(zhǔn)誤差測量和原始測試測量的簡化框圖。CPS被設(shè)置成2通道模式(IN0輸出連接到A和B, IN3輸出連接到C和D)。2通道模式的ADC(A, B)測量DIB/DUT的RF吞吐端口,而DIB/DUT的RF輸出也被ADC(C, D)測量。利用最大3.2 Gsps的采樣率,可以同時測量“校準(zhǔn)誤差測量值”和“原始測試測量值”。同樣的,最終的DUT測量值可由下式計算出:原始測試測量值 - 校準(zhǔn)誤差測量值 = 最終DUT測量值。
圖7 簡化框圖:同時進行自動校準(zhǔn)誤差測量和原始測試測量
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