CDMA/GSM手機(jī)在線功能測試

  　 引言

　   中國每年都要生產(chǎn)成千上萬部手機(jī)，然而手機(jī)測試設(shè)備卻相當(dāng)昂貴，測試速度普遍較慢。據(jù)保守估計(jì)，每測試一部手機(jī)將耗費(fèi)生產(chǎn)商1$以及花費(fèi)測試時(shí)間1-3分鐘。

　   所以測試設(shè)備的費(fèi)用往往是OEM、EMS等手機(jī)生產(chǎn)廠商最為關(guān)注的問題，而這也是阻礙擴(kuò)大手機(jī)產(chǎn)量的一個(gè)瓶頸問題。National Instruments在中國大陸的系統(tǒng)聯(lián)盟商-VI Service Network, 利用NI的LabVIEW軟件的射頻硬件成功構(gòu)建了一套價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的手機(jī)在線測試系統(tǒng)。

　   通過使用虛擬儀器和一些專有的技術(shù)，使得這套系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)儀器擁有很多突出的優(yōu)點(diǎn)；首先，系統(tǒng)的測試速度更快。由于客戶能夠完全掌握測試方案，根據(jù)實(shí)際的測試需要選取不同的測試參數(shù)。在一個(gè)客戶應(yīng)用程序中我們通過采取并行測試的方法將速度提高了8倍。其次，系統(tǒng)是可擴(kuò)展的。除了協(xié)議指定的一些參數(shù)測試之外，客戶可以通過對PXI或PCI的模塊擴(kuò)展來增加測試，例如多媒體測試、話音質(zhì)量測試、液晶屏測試和按鍵測試等等。這種擴(kuò)展在傳統(tǒng)儀器上是無法實(shí)現(xiàn)的。第三，系統(tǒng)具有復(fù)用性。由于PCI和PXI是通用測試總線，所以一旦客戶的測試需求有所改變時(shí)，相同的設(shè)備在很大程度  
上能夠被重復(fù)使用。這一特點(diǎn)對OEM或EMS生產(chǎn)商來說尤為重要。

　　本文中提供的手機(jī)測試方法適用于以下幾種通信協(xié)議的參數(shù)測試：GSM, CDMA, SCDMA和TD-SCDMA。其中GSM是世界上廣泛使用的一種移動(dòng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，――也是中國，歐洲等國家和地區(qū)現(xiàn)行的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；美國，日本和韓國等國家使用的是CDMA通信標(biāo)準(zhǔn)。中國正在建設(shè)CDMA網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)SCDMA和TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，并希望這種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在中國及其他地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。由于此協(xié)議測試包含參數(shù)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，所以目前的這套系統(tǒng)能夠比較容易地?cái)U(kuò)展成CDMA2000和W-CDMA通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)測試。

　　1. 方法和原理

　　1.1 CDMA/GSM手機(jī)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)



圖1 CDMA/GSM校驗(yàn)系統(tǒng)硬件連接框圖

　　如圖1所示， 利用NI射頻信號分析模塊PXI-5660和外部射頻信號發(fā)生器，我們建立了一套功能強(qiáng)大的手機(jī)測試系統(tǒng)。PXI-5660以實(shí)時(shí)帶寬大、時(shí)間基軸穩(wěn)定和能夠進(jìn)行向量測量著稱，向量測量的特性更使其成為射頻成分和商業(yè)電子測量的理想選擇。我們的測試平臺(tái)提供了最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，從而減少了測試時(shí)間并降低了測試成本。



圖2 CDMA/GSM校驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　由圖2可見，基于VI Service Network獨(dú)特的并行測試技術(shù)，我們的測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)手機(jī)的同時(shí)測試。僅因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)，手機(jī)的測試速度就可以提高一倍。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)又整合了基于PXI的射頻信號發(fā)生器以及射頻信號分析模塊，測試速度相對于原來的GPIB儀器又提升了50%-100%。我們PXI總線測試系統(tǒng)的測試速度基準(zhǔn)是80秒/2部手機(jī)，而基于GPIB的儀器測試一部手機(jī)的時(shí)間需要大約150秒的時(shí)間。

　　1.2 CDMA/GSM手機(jī)測試系統(tǒng)的軟件工具包

　　無線測試工具包軟件是按照軟件無線電的理念，基于National Instruments的LabVIEW開發(fā)，是我們手機(jī)在線測試系統(tǒng)的核心部分。作為一個(gè)最優(yōu)化測試平臺(tái)，這套工具包將射頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成功能強(qiáng)大的協(xié)議測試儀器。從而也使得NI的射頻硬件與其他的射頻硬件有了根本上的區(qū)別。通過調(diào)用高層函數(shù)(High level VIs)，客戶能夠接觸到一些協(xié)議測試的源代碼，目前這些源代碼僅僅為少數(shù)封閉式儀器供應(yīng)商所獨(dú)有。有了這些源代碼，客戶就可以為手機(jī)生產(chǎn)建立一套高效，靈活的生產(chǎn)測試系統(tǒng)。由于這套無線測試工具包軟件是基于National Instruments的LabVIEW圖形編程環(huán)境開發(fā)的，所以它能夠被無縫整合到National Instruments的最新測試執(zhí)行軟件TestStand中去，這將進(jìn)一步提升生產(chǎn)測試流程的高效性。

　　1.3 CDMA/GSM手機(jī)功能測試原理

　　1.3.1 時(shí)間域測量

　　時(shí)間域測量常用于脈沖信號系統(tǒng)，測量參數(shù)包括脈沖上升/下降時(shí)間、脈沖重復(fù)間隔、開/關(guān)機(jī)時(shí)間、誤碼間隔時(shí)間等等。傳統(tǒng)的測量方法就是用示波器來觀察信號的時(shí)域波形。而我們可以用矢量信號分析儀將輸入信號移到基帶后采樣成同相分量I和正交分量Q。我們可以在幅度-時(shí)間、相位-時(shí)間或I/Q極坐標(biāo)等坐標(biāo)系統(tǒng)中來表示這兩個(gè)分量。掃頻儀用于顯示信號在時(shí)域的幅度，即RF信號的包絡(luò)。對于TDMA技術(shù)來說時(shí)域分析尤為重要，所以脈沖的波形和定時(shí)在GSM手機(jī)的檢測中是必不可少的參數(shù)。

　　1.3.2 頻域測量

　  手機(jī)的頻域測量通常分為Spectrum due to modulation and wideband noise測試以及Spectrum due to switching測試。 

       Spectrum due to modulation and wideband noise測試是為了確保調(diào)制過程不會(huì)造成頻譜的過度傳播。如果頻譜過度傳播，那么工作在其他頻段的手機(jī)就將受到噪聲的干擾。這項(xiàng)測試在某種程度上也被視為相鄰信道功率測試。我們通過這項(xiàng)測試可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號發(fā)射過程中諸如I/Q基帶信號發(fā)生器、濾波器和調(diào)制器等各個(gè)層面上的問題。

　　GSM/EDGE發(fā)射器會(huì)使射頻信號功率迅速呈下降趨勢。發(fā)射射頻載波功率測試確保這一過程發(fā)生時(shí)間的快速而準(zhǔn)確，然而射頻信號功率下降過快又會(huì)導(dǎo)致在發(fā)射射頻信號中出現(xiàn)不良頻率的干擾信號。所以Spectrum due to switching test測試確保了這些頻率成分的信號功率保持在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。如果射頻信號功率下降過快，就會(huì)導(dǎo)致工作在發(fā)射頻率附近其他信道上的手機(jī)受到很強(qiáng)的噪聲干擾。如果這項(xiàng)測試不能通過的話可能的原因就是發(fā)射器的功率放大器或是基準(zhǔn)回路有問題。

　　1.3.3 調(diào)制域測量

　　調(diào)制質(zhì)量是手機(jī)發(fā)射器最重要的性能指標(biāo)之一，所以它的測量就變得尤為重要。CDMA手機(jī)和GSM手機(jī)的調(diào)制質(zhì)量測試方法有所不同，CDMA手機(jī)是通過測試ρ和頻率誤差來表征它的調(diào)制質(zhì)量，而GSM手機(jī)則通過測試相位誤差和頻率誤差來表征它的調(diào)制質(zhì)量。

　　CDMA手機(jī)：ρ是關(guān)于互功率和總功率之間關(guān)系測量。互功率是將測得的射頻信號功率和理想的參考信號功率求互相關(guān)得到： 

        PowerthatcorrelateswithidealSignalPowerTotalPowerSignalpowerErrorPowerρ==+ (1)ρ的性能好壞嚴(yán)重影響到手機(jī)對信號的處理能力。如果ρ值太小使得許多不相關(guān)的信號以噪聲的形式出現(xiàn)在信號中，于是我們就不得不加大信號的功率來提高信噪比，這樣基站在發(fā)射功率不變的基礎(chǔ)上就不得不暫時(shí)屏蔽掉一些通話以保證另一些通話有足夠的信噪比。


        頻率誤差的測量是為了驗(yàn)證手機(jī)信號發(fā)射器是否工作在準(zhǔn)確的頻率上。這對于手機(jī)以及整個(gè)通信系統(tǒng)來說也是至關(guān)重要的，如果手機(jī)發(fā)射頻率出現(xiàn)比較大的誤差就會(huì)對工作在其相鄰頻率信道上的信號產(chǎn)生干擾。

　　GSM手機(jī)：相位誤差(GMSK)和頻率誤差是用于表征GSM手機(jī)調(diào)制質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)。相位誤差的測量能反映出發(fā)射器電路中I/Q基帶信號發(fā)生器、濾波器、調(diào)制器和放大器等部分的問題，在實(shí)際系統(tǒng)中，太大的相位誤差會(huì)使接收器在某些邊界條件下無法正確解調(diào)，這最終會(huì)影響工作頻率范圍。頻率誤差的測量能夠反映出合成器/鎖相環(huán)等部分的性能。頻率誤差過大反映出當(dāng)信號發(fā)送時(shí)存在頻率轉(zhuǎn)換，合成器不能快速識別信號。在實(shí)際系統(tǒng)中，頻率誤差過大會(huì)造成接收器無法鎖定頻率，最終導(dǎo)致和其他手機(jī)之間相互干擾。

　　1.3.4 通道功率的測量

　　通道功率是指在信號頻率帶寬范圍內(nèi)的平均功率，它是通信系統(tǒng)最基本的參數(shù)之一。在無線通信系統(tǒng)中，我們要用盡可能小的功率實(shí)現(xiàn)最佳的通信連接。這樣不僅有助于將整個(gè)系統(tǒng)的干擾保持在最小的程度，還可以最大限度地延長基站電池的壽命。手機(jī)移動(dòng)通信中如果通道功率太小，那我們就無法得到理想的通話質(zhì)量，如果通道功率太大，基站電池的壽命就會(huì)大大縮短，我們要使通道功率保持在一個(gè)使兩者性能達(dá)到最佳的均衡狀態(tài)。因此通道功率的測試在手機(jī)測試中就顯得至關(guān)重要。

　　2. 測試結(jié)果

　　用我們的手機(jī)在線測試系統(tǒng)分別對CDMA和GSM手機(jī)進(jìn)行了各種參數(shù)的測試。結(jié)果表明，我們的手機(jī)測試系統(tǒng)高速而準(zhǔn)確。

　　2.1 CDMA手機(jī)校驗(yàn)測試

　　2.1.1 校驗(yàn)測試項(xiàng)目

Transmitter:
􀁺 Power vs. power control register
􀁺 Power compensation over frequency channels
􀁺 Power vs. power control register in High Power mode
􀁺 Adjacent Channel Power(ACPR)
Receiver:
􀁺 Received Signal Strength Indicator(RSSI) range
􀁺 RSSI vs. input power
􀁺 RSSI vs. frequency channels
􀁺 RSSI vs. frequency offset within band
􀁺 High gain RSSI tests

       2.1.2 對單個(gè)UUT進(jìn)行反復(fù)測試

　　對于發(fā)射器來說，最主要的測試是射頻輸出功率vs. Tx PDM的測量。Tx PDM是射頻功率控制寄存器，它與射頻輸出功率之間有對應(yīng)關(guān)系，我們通過串口指令設(shè)置此寄存器的初值，然后測試射頻輸出功率是否與之對應(yīng)正確。我們對一個(gè)UUT進(jìn)行了37次測試，得到了相應(yīng)的輸出功率vs. Tx PDM曲線和測量標(biāo)準(zhǔn)差。 

        對于接收器來說，最主要的測試是Rx PDM vs.射頻接收功率的測量。Rx PDM是接收器的增益控制寄存器，它與射頻輸入功率之間有對應(yīng)關(guān)系，通過串口指令讀取這個(gè)寄存器的初值，可以控制增益得到所需強(qiáng)度的信號。我們同樣對UUT測試37次，得到了相應(yīng)的Rx PDM vs. 輸入功率曲線和測量標(biāo)準(zhǔn)差。

　　結(jié)果表明，37次測試全部正確，發(fā)射器測試平均標(biāo)準(zhǔn)差只有0.2dBm，接收器測試平均標(biāo)準(zhǔn)差只有0.7LSB，測試結(jié)果相當(dāng)理想。

　　2.2 GSM手機(jī)測試的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

      我們用PXI-5660對GSM手機(jī)進(jìn)行了一系列測試：
􀁺 Frequency & Phase Error
􀁺 Power measurement
􀁺 Power Ramp
􀁺 Spectrum due to Modulation
􀁺  
Spectrum due to Switching
      測試結(jié)果如下：
􀁺 Frequency & Phase Error:
頻率誤差為2.5Hz，僅占中心頻率的9310−

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