基于ATE推動WiMAX射頻測試與特征描述

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

WiMAX的能力

WiMAX是一種射頻技術，用來代替有線DSL或電纜來提供“最后一英里”寬帶接入。該技術基于IEEE 802.16標準，工作距離為數公里，而WiFi (IEEE 802.11)提供的距離是數十米或數百米。

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。正如其它數字調制方案那樣，WiMAX利用更簡單的調制方案和更慢的數據速率來提供更長的傳輸路徑。若路徑長度較短，則復雜的調制方案可提供誤碼率(BER)很低的高數據速率。為了達到很高的數據傳輸速率，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)。該技術也稱作移動WiMAX，并被包含在IEEE 802.16e中。它被分配了一個略微不同的頻帶，以2.3GHz為中心。

WiMAX使用OFDM，這種復用方法把帶寬分成多個頻率子載波。在OFDM系統(tǒng)中，輸入數據流被分成了幾個數據速率更低的并行子流，每個子流均得到調制，并在單獨的正交子載波上傳輸。在10MHz信道帶寬中，基站和移動裝置之間的下行鏈路的數據速率有可能達到63 Mbps，并且上行鏈路上有可能達到28Mbps（圖1）。

圖1，WiMAX調制方案包括正交相移鍵控和16點正交相移調幅。

在早期的移動設備中，相內(I)和正交(Q)信息以模擬格式從基帶處理器傳輸到設備的射頻部分。在目前高度集成的設備中，ADC、DAC與射頻電路駐留在相同封裝中，構成了射頻器件與數字基帶處理器或數字總線之間的鏈路。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，帶有數字接口和多個射頻端口。

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，自動化測試設備(ATE)系統(tǒng)需要以下關鍵能力：

• 數字供應和記錄速度與被測器件(DUT)相同；

• 用相位噪聲較低的時鐘來為合成器提供基準；

• 潔凈電源與中繼控制用輔助控制電路；

• 射頻供應與記錄；

• 多個射頻端口，可被輕松校準來獲得準確的信號電平；

• 供應和記錄WiMAX調制信號的方法。

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)行多站點測試。利用并行測試，系統(tǒng)測試數個器件所需的總測試時間應能接近單站點系統(tǒng)測試一個器件所需的時間。

測試開發(fā)期間，測試者應恰當安排測試儀資源，使負載板的復雜度最低。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射頻信號電平的工作能夠自動完成。器件設計應使最終組裝產品的PCB上的元件數量最少，并因此降低材料成本。同理，ATE負載板的元件也應盡可能少。元件數量最少的“潔凈”負載板需要的設計、布局、構建、調試時間較短，并且事實證明，它們在批量生產時也更可靠。

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

一個2×2 MIMO器件有2個輸入接收端口和2個輸出發(fā)射端口。若要在4站點環(huán)境中測試此類器件，則測試儀必須提供8條射頻供應信道和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，ATE需要提供16個射頻端口。

四站點應用需要4路高純度基準時鐘輸入，每路用于每個DUT的合成器。時鐘輸入的相位噪聲必須很低，這至關重要，這是由于時鐘相位噪聲會影響器件的性能。配備良好時鐘源的測試儀在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，因此它們可能會導致數字同步問題。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果。

WiMAX器件面臨的測試難題

WiMAX器件必須經歷一系列測試，來確保它們用在無線電設備中時將會恰當工作。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正確；

* 數字類型測試（包括掃描格式的一些測試）；

* 對轉換器的傳統(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和調制信號的規(guī)格。

首先可以測試來確定器件是否在工作，是否需要進一步測試。但是這一步的時間效率也許不高，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，這是因為一些測試儀在后臺執(zhí)行DSP功能時，還可同時執(zhí)行其它測試，比如需要大型數字圖案的測試。提供此類并行測試的測試儀能幫助優(yōu)化總測試時間。

隨著器件變得更加復雜，對于設計者而言，在其中包含“面向測試的設計”特性就變得至關重要起來。例如，一條測試總線的若干測試模式被設計到了DUT中，它幫助把信號輸送到正常工作時不使用的觀察點。這種可見性幫助測試工程師準確測試DUT的某個塊或部分。

對WiMAX收發(fā)器的射頻發(fā)射部分所做的經典連續(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。這個電平很低，并且無法用經典的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)都是關鍵的CW測試。接收信號強度指標(RSSI)是另一項應該考慮的測試。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，此時滿負荷的射頻測試儀經常不能供利用，并且在執(zhí)行一個測試子集。

射頻調制測試

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

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

圖3，EVM計算表明了基準與星座圖上的觀察點之間的差異，這是由相位誤差和幅度誤差引起的。

在理想的情況下，調制信號的星座點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導致星座點處于不理想的位置，因此限制數據速率。

信道掩碼測試是另一項常見的調制發(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電平，來確保它是低電平，并處于規(guī)格之內。

對于接收路徑，測試經常測量EVM和誤碼率。BER是錯誤比特與正確比特之比，越小越好。BER測試對DUT收到的調制射頻信號做測量，并計算正確接收和錯誤接收的比特數量。BER測試一般很耗時，這是因為它要花很長時間來測試很低的BER電平。

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

調制測試提供關于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)很可能不會令人滿意。遺憾的是，在生產環(huán)境中很難準確指出是器件的哪個塊導致了問題。如需確定邊際射頻性能，CW測試和調制測試應被認為是必要的。

臺式設備幫助完成特征描述

射頻器件的特征描述是在開發(fā)臺上完成的，一些實驗室設備專門用來模擬器件在最終使用中的工作狀況，并按照相關標準來測試器件。該過程涉及面廣泛而耗時，并需要大量臺式設備。

由于使用了與ATE領域相同的工具，因此實驗室人員和生產人員有機會更密切合作，并使用符合行業(yè)標準和射頻標準的相同波形和分析方法。實驗室人員在實驗室中需要耗費的小時數將會減少，而生產人員將更快獲得與器件設置條件、寄存器值等等有關的各種問題的答案。

今天的實驗室人員和生產人員能比前輩們更輕松地共享數據，這是因為多數較新式的ATE系統(tǒng)均基于PC，并且運行Windows操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能對許多器件迅速運行測試，并能在需要時，用不同電源軌來迅速重新運行測試，并且測試結果可被自動導出到Excel工作簿等等電子數據表中。工程師們然后能以圖形方式繪制測試結果，這帶來了方便的可視化分析以及與其他團隊成員和管理層之間的共享。

在實驗室和生產過程中使用相同的分析工具，可極大增加臺式測量與ATE測量之間建立相關性的機會，但仍需要技巧來處理兩個地點所用的不同DUT插座等等因素。另外，ATE板很可能將比實驗室評估板厚許多，并且電源解耦位置和射頻信號交付路線也將不同，需要測試工程技巧。

但是，由于調制工作所用的工具相同，因此綜合團隊在實驗室的工作將會更少，在測試儀上開展的工作會更多，會更快并以更大的批量交付工程樣品。擁有相同的ATE和臺式調制調試顯示器和設置文件也很有幫助。根本之處在于能及時交付經過全面測試并且符合客戶期望的WiMAX器件。