RF-Frontend-Tests mit PXI von NI

^{Abbildung 1: Ein typisches Telefonlayout besteht aus vielen Komponenten, die eine drahtlose Kommunikation ermöglichen.}

Antenne

Die Integration verschiedener Antennen in ein Telefon kann schwierig sein. Wenn Sie für jeden Standard unterschiedliche Frequenzen haben, ist eine bestimmte Antenne am besten geeignet, um die beste Leistung zu erzielen. In manchen Fällen können Sie Antennen gemeinsam nutzen, indem Sie Filter verwenden oder Verluste aus nicht idealen Antennenlängen prognostizieren. Nehmen Sie Ihr typisches Telefon, wenn Sie mehrere Bandbreiten für die Abdeckung in verschiedenen Ländern bereitstellen müssen. So müssen Sie beispielsweise GSM-Bänder zwischen 380 MHz und bis zu 1900 MHz unterstützen. Basierend auf der Berechnung der Wellenlänge Ihres Funksignals können Sie Ihre Antennenlänge bestimmen.

Daher haben Sie unterschiedliche Antennenlängen von 7,5 cm bis 37 cm basierend auf einer vereinfachten Dipolantennen-Entwurfsformel.

Eine weitere Herausforderung, die die Hersteller von Telefonen neben der gemeinsamen Antenne haben, ist die Impedanz der Antenne im Vergleich zur Impedanz der übrigen Elektronik. Da eine Antenne mit nicht idealen Medien in Berührung kommt, wie z. B. einem Metalltisch oder einer anderen einfachen Masse, verursacht sie eine Änderung der elektrischen Impedanz der Antenne. Diese Impedanz verursacht Signalreflexion oder Schlimmeres, was die Energieverwaltung für ein Telefon erschwert. Neue Technologien wie mikroelektromechanische Systeme (MEMS) scheinen vielversprechend, um diese Impedanzänderungen sehr schnell mechanisch zu steuern.

Duplexer

Bei einem Duplexer können sowohl die Übertragung als auch der Empfang des Hauptmobilfunksignals auf derselben gemeinsam genutzten Antenne erfolgen. Beim Telefon funktioniert der Duplexer wie ein Schnellschaltgerät. Das Signal von der Basisstation wird normalerweise durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) empfangen, um die Verstärkung hinzuzufügen, bevor es vom RF-Transceiver heruntergemischt und schließlich zum Basisband geleitet wird (siehe Abbildung 2). Die Signalerzeugung durchläuft den PA, Verstärkung das Signal für die Rückübertragung an die Basisstation zu verstärken.

^{Abbildung 2: Das Telefon empfängt das RF-Signal in der linken Abbildung und erzeugt das RF-Signal in der rechten Abbildung.}

Leistungsverstärker

Einer der wichtigsten Bestandteile des Mobiltelefons ist der Leistungsverstärker (PA). Der PA liefert dem erzeugten RF-Signal eine Verstärkung. Je nach Standard könnte dies bis zu 30 dBm oder 1 Watt Leistung von einem Telefon ausgeben. Er beeinflusst die Lebensdauer der Batterie stärker als andere Komponenten des Telefons, daher wird besonders darauf geachtet, ihn so effizient wie möglich zu gestalten.

RF-Transceiver

Der RF-Transceiver ist das Haupt-Front-End für den Basisband-Prozessor. Es wandelt das Signal von der gewünschten RF-Frequenz auf eine Zwischenfrequenz von typischerweise unter 100 MHz und oft mit weiterer Signalverarbeitung auf das Basisband (0 Hz) herunter, um die ursprünglichen übertragenen komplexen Daten zu erhalten. Außerdem werden die Basisbanddaten vom Prozessor in der Regel über einen I/Q-Modulator direkt in eine RF-Frequenz umgewandelt.

Basisbandprozessor

Obwohl sie nicht im Mittelpunkt dieses Whitepapers steht, ist es wichtig, die Funktion dieser Komponente zu verstehen. Der Basisbandprozessor erfasst die erfassten Daten vom RF-Transceiver und extrahiert die Rohdaten durch Demodulation und andere Signalverarbeitung. Dieser Inhalt kann von Audio-Informationen bis hin zu Video- oder Browser-Bit-Informationen für das Websurfen umfassen. Die Umkehrung erfolgt auch durch Signalverarbeitung und Modulation der Daten. Neben der Verwaltung des physikalischen Teils der Daten werden auch die Signalanforderungen für die Kommunikation des Telefons mit der Basisstation behandelt.

Ein Unterschied zwischen den RF-Front-End-Geräten, wie dem PA, und den anderen mobilen Gerätekomponenten besteht darin, wie sie hergestellt werden. Da Silizium (Si) keine hervorragenden Eigenschaften für Mikrowellen-basierte Signale hat, wird es nicht häufig für RF-Geräte verwendet. Stattdessen werden PAs und andere RF-Front-End-Geräte mit Galliumarsenid (GaAs), der am häufigsten vorkommenden Halbleiterverbindung, hergestellt. Neuere Geräte verwenden jedoch auch Indiumphosphid (InP), Siliziumgermanium (SiGe) und Galliumnitrid (GaN). Diese Verbindungen bieten Vorteile in Form von schnelleren Transistor-Schnittstellen und Toleranzen für Signale mit höheren Frequenzen. Der Nachteil besteht darin, dass sie teurer in der Herstellung sind und kleinere Wafergrößen haben. Aus diesen Gründen gibt es viel Forschung und Entwicklung, um Mikrowellengeräte auf Silizium umzustellen.

Die Entwicklung eines Telefons mit allen seinen Komponenten kann ohne ordnungsgemäße Tests zu vielen Problemen oder Fehlern führen. Diese Fehler können sich gegenseitig verstärken und die Gesamtleistung des Telefons beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, jede Komponente zu testen, um die Qualität zu gewährleisten, und das gesamte Telefon selbst, um eine ordnungsgemäße Integration zu gewährleisten. Traditionell werden die Halbleiterkomponenten getestet, sobald sie verpackt sind. Aufgrund der Kosten für die Entwicklung neuer Wafer und Prozesse wird es jedoch immer wichtiger, Probleme mit dem Silizium schon vor dem Verpacken zu erkennen.

Viele dieser gebräuchlichen Tests haben sich als die effektivsten zum Aufspüren von Problemen mit Halbleiterbauelementen erwiesen. Für Charakterisierungstests können sie auch Einblicke in die Funktion des Chips geben. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, welche Tests für die Charakterisierung, Produktion oder beides geeignet sind. Einige Tests werden sowohl für verpackte Chips als auch für Wafer-Level-Tests verwendet.

Die Tests lassen sich in fünf Kategorien unterteilen: RF-Leistungsmessungen, Spektrumsermittlungen, Netzwerkanalysen, Modulationsgenauigkeitsmessungen und DC-Messungen.

RF-Leistungsmessungen

Die Tx-Leistung oder Sendeleistung ist wahrscheinlich die am häufigsten durchgeführte Messung für ein Gerät. Die Ausgangsleistung des Geräts muss innerhalb des zulässigen Bereichs liegen. Sie können diese Messung mit einer Vielzahl von Messgeräten durchführen, darunter einem Leistungsmesser, einem Vektorsignalanalysator (VSA) und einem Vektornetzwerkanalysator (VNA).

Die Leistung über die Zeit (PVT) misst die Burst-Leistung und die durchschnittliche Leistung eines Signals. Es wird üblicherweise für im Burst auftretende RF-Signale wie GSM oder WLAN verwendet. Oft wird eine Maske um das Signal angebracht, um sicherzustellen, dass es für den Test konform ist.

^{Abbildung 3: Eine PVT-Messung wird üblicherweise für Burst-Signale verwendet.}

Verstärkung ist eine wichtige Messgröße für PAs. Verstärkung = P_eingehend – P_ausgehend, wobei P_eingehenddie Eingangsleistung des Verstärkers und P_ausgehend die resultierende Ausgangsleistung nach der Verstärkung ist. Wenn Sie eine bekannte Eingangsleistung haben, in der Regel mit guten Kalibriertechniken, können Sie diese als Referenz für P_eingehend verwenden. Ein sehr genaues Gerät wie ein Leistungsmesser misst P_ausgehend. Einige Messgeräte, wie z. B. VSAs, können auch die Verstärkung messen, wenn sie die relative Verstärkung messen.

Der Rücklaufverlust gibt Einblick in die Reflexion des ursprünglichen Signals beim Durchlaufen des RF-Front-End-Geräts. Dies ist besonders wichtig, wenn versucht wird, das Stehsignalverhältnis (VSWR) der Spannung zu messen, um eine optimale Impedanzanpassung zu erzielen. Da es sich auf ein Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangssignal bezieht, wird es in der Regel mit einem VNA gemessen. In manchen Fällen ist es möglich, einen Vektorsignalgenerator (VSG), einen VSA und einen Koppler zu verwenden, obwohl bei der Systemkalibrierung dieser Hardware Vorsicht geboten ist.

Die Energieeffizienz ist eine der wichtigsten PA-Messgrößen, da sie bestimmt, wie gut ein PA den Akku eines Mobilgeräts nutzt. Je höher der Wirkungsgrad, desto länger hält die Batterie, was für Gerätehersteller ideal ist. Je nachdem, ob es sich bei dem Gerät um einen Verstärker mit hoher Verstärkung handelt, kann die Leistungseffizienz auf verschiedene Arten berechnet werden.

Dabei ist P_ausgehend die gemessene Leistung vom Verstärker, P_DC die von der Batteriequelle oder dem Batteriesimulator gelieferte Leistung und P_eingehend die Eingangsleistung, die normalerweise eine Controller-Schwingung oder ein stetiger Signalverlauf (CW) ist.

Eine Kompression von 1 dB ist ebenfalls eine wichtige Messung. Da PAs letztlich nichtlinear werden, wenn sie auf ihren maximalen Ausgangspegel getrieben werden, beginnen sie von ihrem idealen linearen Ausgang abzuweichen. Diese Abweichung wird am besten in Abbildung 4 dargestellt.

^{Abbildung 4: Die 1-dB-Kompression ist der Punkt, an dem der ideale lineare Verstärker und der reale Verstärker um 1 dB voneinander abweichen.}

Wenn Sie die Eingangsleistung oder P_eingehend erhöhen, beginnt der PA sich zu saturieren und auf eine maximale Ausgangsleistung namens P_sat abzuflachen. Der Punkt, an dem der ideale lineare Verstärker und der reale Verstärker um 1 dB voneinander abweichen, wird 1-dB-Kompression genannt. Das Signal wird durch seinen natürlichen Sättigungspunkt komprimiert. Aufgrund der Leistungseffizienz nahe diesem Wert ist es ideal, sich diesem 1-dB-Punkt so nahe wie möglich zu nähern.

Servosteuerung ist ein Konzept, das nur bei PAs funktioniert. Da die kalibrierte Ausgangsleistung bekannt sein muss, wird ein Leistungsregelungsverfahren verwendet, um diese endgültige Verstärkung zu bestimmen. Dazu wird eine Regelschleife erstellt, um eine gewünschte Ausgangsleistung zu erfassen und die Generatorleistung zu steuern, bis diese Ausgangsleistung erreicht ist. Einfach ausgedrückt wird eine proportionale Regelschleife eingesetzt, so dass der Leistungspegel hin- und herpendelt, bis der Ausgabeleistungspegel mit der angestrebten Leistung übereinstimmt.

^{Abbildung 5: Bei der PA-Servosteuerung schwingt ein Regelkreis die Leistungspegel hin und her, bis Ausgangsleistungspegel und gewünschte Leistung konvergieren.}

Der Achsenabschnitt dritter Ordnung (TOI) und die Intermodulationsverzerrung (IM3) sind zwei eng verwandte Spezifikationen, mit denen die Linearität eines RF-Systems bestimmt wird. Beide Spezifikationen sind in Bezug auf das Niveau der Verzerrungsprodukte dritter Ordnung relativ zur Leistung des Geräts aufschlussreich. Verzerrungsprodukte dritter Ordnung können das ursprüngliche Signal beeinträchtigen und daher seine Signal-Rausch-Eigenschaft verringern. Dies wiederum erschwert das ordnungsgemäße Funktionieren höherwertiger oder komplexerer Modulationssysteme in einem System.

Es ist auch wichtig, harmonische Wellen zu messen, da sie das Ausgangsprodukt des Geräts beeinträchtigen können, was entweder andere RF-Signale stören oder ein Compliance-Problem mit der Federal Communications Commission oder einer anderen staatlichen Kommunikationsaufsichtsbehörde verursachen kann. Sie können harmonische Wellen bis zur siebten Ordnung für verschiedene Standards ausmessen. So können Sie z. B. die harmonischen Wellen für das 1.800-MHz-PCS-Band bis zur siebten Ordnung, also etwa 12,6 GHz, messen.

Spurs bzw. Sporne werden auch häufig während der Konstruktion gemessen. Sie beeinflussen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), so dass Entwurfsänderungen vorgenommen werden, um diese im gemessenen Spektrum zu eliminieren.

Spektrumermittlungen

Die Leistung eines benachbarten Kanals misst, wie ein bestimmter Kanal und seine zwei benachbarten Kanäle die Leistung verteilen. Sie können diese Messung durchführen, indem Sie die Gesamtleistung im Kanal sowie die Gesamtleistung in den umliegenden oberen und unteren Kanälen berechnen. Je nach dem von Ihnen gemessenen Technologiestandard gibt es unterschiedliche Kriterien für Leistungsmessungen benachbarter Kanäle. So erfordert beispielsweise der CDMA-Standard (Core Division Multiple Access) für drahtlose Übertragungen eine Bandbreite von 4,096 MHz. Darüber hinaus muss die bei Offsets von 5 MHz gemessene Nachbarkanalleistung mindestens 70 dB unter der durchschnittlichen Leistung im Kanal liegen.

Das ACLR (Nachbarkanal-Leakage Ratio) ist das Verhältnis der Leistung des Trägerprodukts zum Leistungspegel der Nachbarkanäle. Es wird am häufigsten für Breitband-CDMA-Messungen verwendet. Bei anderen Standards wird es auch als „Adjacent Channel Power Ratio“ (ACPR) bezeichnet. Der Hauptgrund für diese Messung besteht seinerseits wiederum aus zwei Gründen: Sie misst alle Nachbarkanalstörungen, die sich auf andere Spektren außerhalb des interessierenden Trägers auswirken können, und, was noch wichtiger ist, sie ist eine weitere Methode zur Messung von Intermodulationsprodukten dritter Ordnung, die durch den Modulträger erzeugt werden. In Abbildung 6 ist diese Messung für ein gegebenes WCDMA-Signal dargestellt.

^{Abbildung 6: Dieser WCDMA-Signalverlauf veranschaulicht ACPR oder ACLR.}

Das Ausgangs-RF-Spektrum (ORFS) ist eine Schmalbandmessung, die Informationen über die Verteilung der spektralen Energie des Senders außerhalb des Kanals aufgrund von Modulation und Schaltung gemäß der 3GPP-Spezifikation liefert. Diese Messung wird üblicherweise für GSM, GPRS und EGPRS verwendet, wo die GMSK-Modulation (nur Phasen) zum Senden und Empfangen von Daten verwendet wird.

Die ORFS-Messung berechnet die Leistung bei verschiedenen Frequenzen-Offset von der Trägerfrequenz, um zu ermitteln, wie viel der Burst in andere Frequenzbänder gelangt. Die Leistung an jedem Offset wird zurück zur Trägerleistung bezogen und in dBc angegeben.

Es gibt zwei Arten von ORFS-Messungen. Die Modulations-ORFS-Messung untersucht den Frequenzinhalt der Mitte eines Bursts, während die Schalt-ORFS-Messung den Frequenzinhalt der Aufwärts- und Abwärts-Rampen eines Bursts misst. Im Allgemeinen gibt der Schalt-ORFS bei einer gegebenen Frequenz höhere Werte aus als der Modulations-ORFS. In der 3GPP-Spezifikation werden definierte Frequenzoffsets für die Modulation und das Schalten verwendet:

• Modulation: +/-200 kHz, +/-250 kHz, +/-400 kHz, +/- 600 kHz, +/-1,2 MHz, +/-1.8 MHz
• Umschalten: +/-400 kHz, +/-600 kHz, +/-1,2 MHz, +/-1,8 MHz

^{Abbildung 7: Dies ist das ORFS für ein GSM-Signal.}

Bei der Einführung von Amplituden- und Phasenmodulationen wie QPSK oder 16QAM ist es üblich, stattdessen eine Fehlervektor-Amplitudenmessung (EVM) zu verwenden.

Die komplementäre Verteilungsfunktion (CCDF) ist ein statistisches Messverfahren, mit dem die Leistungsmerkmale eines Signals analysiert werden können. Sie zeigt, wie lange ein Signal bei bestimmten Leistungspegeln über einen festgelegten Zeitraum existiert. In einem CDMA- oder WCDMA-Signal gibt es selten höhere Leistungsspitzen, die bei der Signalübertragung auftreten. Diese Spitzenwerte sind für eine ordnungsgemäße Datenübertragung erforderlich. Wenn die Spitzenwerte jedoch zu lange anhalten, deuten sie jedoch auf eine Komprimierung für ein PA-Gerät hin. Dies ist im Graphen in Abbildung 8 zu sehen, der über einen bestimmten Zeitraum mehr Spitzentransmission als normale Spitzentransmission zeigt.

^{Abbildung 8: Komplementäre Verteilungsfunktion}

Netzwerkanalyse

Das Stehwellenverhältnis (VSWR) ist das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Amplitude der resultierenden Störwelle, wie in der folgenden Formel dargestellt:

  wobei p der Reflexionskoeffizient ist, der wie folgt definiert ist:

A = reflektierte Welle und R = einfallende Welle

^{Abbildung 9: Definition von p oder dem Reflexionskoeffizienten}

Alle Impedanzfehlanpassungen entlang einer Übertragungsleitung verursachen eine teilweise Reflexion der sich ausbreitenden Signale. Die Impedanzdifferenz bestimmt die Größe der Reflexion. Die Länge eines nicht übereinstimmenden Abschnitts bestimmt die niedrigsten Signalfrequenzen, die vom Abschnitt reflektiert werden. VSWR ist ein Maß für diese Signalreflexion.

Die Rückflussdämpfung ist ebenso wie das VSWR ein Reflexionsmaß, wird jedoch normalerweise in dB angegeben. Mit dem gleichen Reflexionskoeffizienten wie oben können Sie ihn folgendermaßen ausdrücken:

Ausgangsverlust in dB = –20 log (p)

Sie können entweder die Rückflussdämpfung in Vorwärtsrichtung messen, die am häufigsten für RF-Front-End-Geräte wie PAs verwendet wird, oder die Rückflussdämpfung, die für RF-Transceiver verwendet werden kann.

Modulationsgenauigkeitsmessungen

Der Phasen- und Frequenzfehler (PFER) ist eine gängige Messung für GSM-, GPRS- und EGPRS-Signale. Da das modulierte Signal vollständig phasenbasiert ist (GMSK) ohne Amplitudenverschiebung, ist eine Messmethode erforderlich, um die Qualität dieser Phase und somit die Modulationsqualität zu bestimmen. In der Regel werden sowohl der quadratische Mittelwert (RMS) als auch die Spitzenphase gemessen. Der RMS-Phasenfehler gibt den Mittelwert des Effektivphasenfehlers über einen gesamten Burst aus, während der Spitzenphasenfehler den schlimmsten gemessenen Phasenfehler im Burst ausgibt.

Der Fehlervektorbetrag (EVM) ist ein Maß für die Demodulatorleistung bei Vorliegen von Beeinträchtigungen. Der Fehlervektor für ein empfangenes Symbol wird in der I/Q-Ebene als Vektor zwischen einem empfangenen Symbol und der idealen Symbolposition definiert. Zur Berechnung der EVM wird das Verhältnis zwischen der Größe des Fehlervektors und der Größe des erwarteten Konstellationspunkts herangezogen.

Das Modulationsfehlerverhältnis (MER) ist ein Maß für das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eines digital modulierten Signals.

DC-Messungen

Der Strom kann an verschiedenen Teilen des RF-Frontends gemessen werden. Er kann an der Versorgungsspannung gemessen werden, die das Gerät mit Strom versorgt. Er kann auch an den Zubehörkanälen für die Digitalleitungen, V_Rampeoder Modus- und Frequenzregelleitungen gemessen werden.

Bei Halbleiterbauelementen wie HF-Frontends treten häufig Leckströme auf. Die Leckstrommessung hilft bei der Bestimmung der Isolation zwischen den Pins eines Halbleiterbauelements. Mit Hilfe einer Source Measure Unit (SMU) können Sie den Leckstrom für alle angegebenen Pins messen.

Die V_detect-Messung ist eine Spannungsmessung der Ausgangs-Steuerleitung eines PA. Dieses V_detect gibt ein Steuersignal für die Batterie des Geräts aus, um anzuzeigen, wie viel Strom für V_batt am PA benötigt wird.

^{Abbildung 10: So sieht ein allgemeiner PA für Mobilgeräte aus.}

Ein PA hat aufgrund großer Unterschiede in den Mobilgerätebändern mindestens zwei verschiedene Eingänge, RF-Eingang (1) und (2). So kann GSM beispielsweise im 800-MHz-Bereich sowie im PCS-Bereich von 1,8 GHz betrieben werden. Dies erfordert eine separate Verstärkung, um die Frequenzunterschiede zu berücksichtigen. Auch Multimode-APs für Mobilgeräte der nächsten Generation mischen oft GSM mit einem anderen Standard wie WCDMA oder LTE. Der PA kann vier oder mehr Eingänge enthalten. In diesem Fall sind die Modi in High- und Low-Band für die verschiedenen Frequenzen unterteilt und haben auch unterschiedliche Eingänge für die verschiedenen Standards, um die Verstärkungseffizienz zu optimieren.

V_batt ist die von der Batterie oder einem Batteriesimulator-Gerät an den PA geleistete Strommenge.

V_Rampe ist ein Reglereingangswert zur Steuerung der Verstärkung des PA. Besonders wichtig ist dies bei im Burst auftretenden GSM-/GPRS-/EDGE-/EDGE+-Signalen, bei denen das Signalprofil von Bedeutung ist.

Je nach Komplexität des PA kann es separate Modus- und Bandsteuerleitungen für die Schaltleistungssteuerung (Modus/Band/SPI) enthalten. Die Modusregelung kann beispielsweise vom GSM-Modus in den EDGE-Modus wechseln. Das Band passt sich an die verschiedenen Frequenzbänder an, in denen der PA arbeiten kann. Bei APs der nächsten Generation wird tendenziell eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) und schließlich MIPI (eine neuere serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle) verwendet. SPI und MIPI verwenden eine Hochgeschwindigkeits-Digitalsteuerschnittstelle, die Sie über den Stromverwaltungs-IC (PMIC), die CPU und andere Chips im Mobiltelefon integrieren können.

Ähnlich wie bei den Eingängen gibt es heute auf dem PA mindestens zwei Ausgänge, die RF-Ausgänge (1) und (2). Diese sind für verschiedene Frequenzbänder. Die Tendenz für neuere PA besteht darin, mehrere Standards, Modi und Frequenzen zu haben.

V_detect gibt ein Steuersignal für die Batterie des Geräts aus, um anzuzeigen, wie viel Strom für V_batt am PA benötigt wird.

Bei der Schnittstelle mit dem RF-Front-End-Gerät für die Charakterisierung und den Produktionstest werden in der Regel mehrere Geräte verwendet. In den folgenden Abschnitten werden die gängigsten Messgeräte und deren Schnittstellen mit dem RF-Front-End-Gerät beschrieben.

^{Abbildung 11: Diese Sammlung von Messgeräten ist die traditionelle Testkonfiguration für einen RF-Front-End-Gerätetest.}

Spektrumanalysatoren sind in jedem RF-Geräteentwicklungslabor oder jeder Einrichtung verbreitet. Sie bieten hervorragende Leistungsmessungen für unbekannte Signale und lassen sich leicht für die Erfassung von RF-Signalen konfigurieren. In einem RF-Front-End-Test werden sie üblicherweise für die Erfassung von RF-Signalen höherer Frequenzen wie Spurs (Spornen) und harmonischen Oberschwingungen verwendet. Wenn Sie eine Messung der siebten Ordnung eines WLAN-Geräts durchführen müssen, benötigen Sie einen Analysator, der bis zu 40 GHz messen kann. Da der Analysator keine nativen Bandpassfilter hat, ist es üblich, einen externen Filter an den Eingang für den primären Träger hinzuzufügen, so dass genügend Dynamikbereich vorhanden ist, um die Harmonischen oder Drehungen zu messen. Oft werden verschiedene Filterbanken für die Mobilfunkbänder oder drahtlosen Netzwerkbänder für WLAN, Bluetooth, ZigBee usw. verwendet.

Ein Vektorsignalanalysator (VSA) gehört zu den wichtigsten Testgeräten für RF-Front-End-Geräte. Ähnlich wie ein Spektrumanalysator für Leistungsmessungen kann er Phaseninformationen messen, die für Messungen der Modulationsgenauigkeit wichtig sind. Neben dieser Fähigkeit zur Erfassung von Phase und Betrag verfügt er auch über eine sehr schnelle Digitalisierung des RF-Signals (nach der Abwärtswandlung), was zu einer dynamischen Erfassung von Signalen führt. Dies wird bei Spektrumsverbreitungstechnologien wie WCDMA oder WLAN bevorzugt. Bei stetigen Phaseninformationen kann eine Bandbreite von 30 MHz erforderlich sein. Der VSA ist mit den RF-Ausgängen (1) und Ausgang (2) des PA verbunden (siehe Abbildung 10).

Ein RF-Funktionsgenerator, auch als Generator für stetige Wellen (CW) bekannt, stellt ein präzises RF-Signal zur Eingabe in das RF-Front-End-Gerät bereit. Diese Generatoren werden häufig zur Systemkalibrierung verwendet oder zur Mehrtonerzeugung für IMD und IP3 oder als Nachbarkanalstörer kombiniert.

Ein Vektorsignalgenerator (VSG) ist die gängigste Art von Generator in einem Labor oder einer Einrichtung, die RF-Front-End-Geräte entwickelt. Er bietet nicht nur einen kontrollierten Ausgang für RF-Signale sowohl für Leistung als auch für Frequenz, sondern auch ein phasengesteuertes Ausgangssignal. Dies geschieht in der Regel über eine Überlagerungsarchitektur oder eine I/Q-Modulator-Architektur. Sie können den VSG auch für die Systemkalibrierung, Mehrfrequenzgenerierung und benachbarte Kanalinterferenzen verwenden. Aber noch wichtiger ist, dass er modulierte Signale in das RF-Front-End-Gerät erzeugen kann. Dies ist für das Testen der Modulationsgenauigkeit des Signals nach dem Durchlaufen des Geräts von entscheidender Bedeutung. Der VSG ist mit dem RF-Eingang (1) und dem Eingang (2) des PA-Geräts verbunden (siehe Abbildung 10).

Der Vektornetzwerkanalysator (VNA) ist im RF-Front-End-Gerätelabor nicht so verbreitet wie andere Messgeräte, hat jedoch wichtige Funktionen für einige Messungen. Er wird meist für Reflexions- und Übertragungsmessungen wie Rücklaufverlust, Insertionsverlust und VSWR verwendet. Er weist eine extrem gute relative Genauigkeit auf, die für die obigen Verhältnismessungen wichtig ist. Manchmal werden externe Koppler mit einem CW-Generator und einem Spektrumanalysator verwendet, aber diese bieten nicht die gleiche Genauigkeit wie ein VNA.

Ein RF-Schaltmodul kann vor allem dann vorhanden sein, wenn versucht wird, dem Gerät weitere RF-Kanäle hinzuzufügen, ohne zusätzlichen Kosten für teurere Generatoren oder Analysatoren zu verursachen. Aufgrund der strengen Spezifikationen von RF-Signalen sind bei einem RF-Front-End-Geräte-Test am häufigsten elektromechanische Schaltmodule vorhanden. Im Laufe der Entwicklung von Halbleitergeräten können diese durch Solid-State-Schaltmodule ersetzt werden, wodurch die Lebensdauer und Schaltgeschwindigkeit erhöht wird.

Ein Digitalanalysator/Generator mit hohen Geschwindigkeiten (HSDIO) ermöglicht die Steuerung des RF-Front-End-Geräts für wechselnde Modi (Standards wie CDMA oder LTE), Frequenzbänder und andere Konfigurationen des Geräts. Da mobile Geräte immer komplexer werden, werden Standards wie MIPI übernommen, um ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll zwischen allen Chips bereitzustellen. Ein HSDIO kann einfache statische Befehle oder serielle Hochgeschwindigkeitsbefehle für die MIPI- und SPI-Protokolle bereitstellen. Dies wird immer notwendiger, wenn digitale Schnittstellen zu seriellen Schnittstellen mit höherer Geschwindigkeit im Vergleich zu traditionellen parallelen digitalen Schnittstellen wechseln. Der HSDIO ist mit dem Modus-/Band-/SPI-Port des PA-Geräts verbunden (siehe Abbildung 10).

Ein Signalverlaufsgenerator für beliebige Schwingungen (AWG) steuert das V_Rampe-Signal eines PA. Da viele HF-Signale gebündelt und nicht stetig übertragen werden, ist es wichtig, das richtige Signalprofil zu erzeugen. Die V_Rampe-Steuerleitung (siehe Abbildung 10) ist mit dem AWG verbunden. V_Rampe ist für das Verstärkungs-Steuerprofil eines PA verantwortlich. Ein AWG ermöglicht die vollständig kontrollierte Synthese eines analogen Signalverlaufs. Mit einem AWG von 100 MS/s oder schneller können problemlos verschiedene Arten von benutzerdefinierten Rampenprofilen erstellt werden.

Ein Batteriesimulator dient als primäre Stromquelle für das RF-Frontend. Im PA des Mobilgeräts kann dieser Strom je nach Standard und Frequenz des Signals, das verstärkt wird, 3 Ampere oder mehr betragen. Eine weitere wichtige Anforderung an die Stromversorgung ist ein schnelles Einschwingverhalten, auch um korrekte Leistungsprofile des Burst-RF-Signals sicherzustellen. V_batt (Abbildung 10) wird in der Regel vom Batteriesimulator bereitgestellt, insbesondere für GSM- oder ähnliche burst-empfindliche Signale.

Eine Source Measure Unit (SMU) ist eine spezielle Batterieversorgung, die für RF-Front-End-Geräte gängig ist. Sie unterscheidet sich von einer normalen Stromversorgung darin, dass sie Rücklesefunktionen im Nanoampere- oder kleineren Strombereich bietet. Sie kann auch in vier Quadranten betrieben werden, um bei der Signalleistung stromliefernd oder stromziehend zu wirken. Die SMU kann mit mehreren Leitungen des RF-Front-End-Geräts verbunden werden. In Abbildung 10 könnten dies V_Rampe, V_detect, V_batt und Modus-/Band-/SPI-Ports zur Messung der Strom- und Leitungsleistung sein. Im Produktionstest kann die SMU mit dem HSDIO zu einem Produkt namens PPMU (Per-Pin Power Measurement Unit) kombiniert werden. Dieses Gerät hat die gleichen Fähigkeiten wie ein typisches HSDIO-Instrument, verfügt jedoch über Leistungs- und Messfunktionen wie die SMU. Es ist in der Regel nicht so genau wie eine SMU an sich, kann aber eine viel dichtere Kanalanzahl aufweisen.

Ein digitales Multimeter gehört wahrscheinlich zu den gängigsten Messgeräten im Labor und tritt auch in RF-Front-End-Gerätelabors in Erscheinung. Obwohl es nicht so entscheidend wie eine SMU ist, kann es Spannungsabfälle über Leitungen oder Stromlecks von vielen derselben Steuer- und Überwachungsleitungen messen. Ein digitales Multimeter kann genauso genau wie ein SMU Strom- und Spannungsmessungen durchführen.

Ein Oszilloskop oder Digitizer dient für Zeitbereichsmessungen. Für RF-Front-End-Geräte ist es ein nützliches Fehlersuchwerkzeug, insbesondere mit seiner Möglichkeit, hohe Sample-Raten abzudecken. Die V_detect-Leitung von Abbildung 10 wird aufgrund ihrer schnell wechselnden Werte mit einem Digitizer gemessen.

Ein Leistungsmesser ist für das RF-Front-End-Gerät wichtig. Die RF-Leistungsgenauigkeit wird von diesem Gerät im Labor bestimmt. Die Leistungsgenauigkeit ist in der Regel 10-mal besser oder mehr als bei einem Spektrumanalysator oder VSA. Er verwendet eine andere Art von Architektur, um Strom zu erfassen, und aufgrund dieser Architektur hat er in der Regel einen begrenzten Leistungsbereich. Er wird jedoch häufig als Referenz für die Systemkalibrierung verwendet, damit Messungen außerhalb des zulässigen Bereichs oder damit schnellere Messungen durchgeführt werden können. RF-Front-End-Geräte müssen entweder direkt oder indirekt mit einem Leistungsmesser charakterisiert werden, um die korrekte Ausgangsleistung zu gewährleisten.

Ein Load-Pull-Gerät ist im Labor für HF-Frontend-Geräte nicht so häufig wie andere Instrumente, aber es ist ein wichtiges Gerät für die praxisnahe Simulation. In der Regel variiert die Impedanz der über eine PA angeschlossenen Antenne je nach Umgebung. Sie kann sich in der Nähe einer Metallkonstruktion befinden oder an einen Autositz angelehnt sein. Dies wirkt sich auf die angepasste Impedanz zwischen dem RF-Front-End-Gerät und der Antenne aus. Dies wiederum kann dazu führen, dass das VSWR ansteigt, was dazu führt, dass das HF-Front-End mehr Leistung zur Kompensation bereitstellen möchte und die Batterie daher schneller entladen wird. Ein Load-Pull-Gerät simuliert diesen Zustand, indem die Impedanz des RF-Eingangs oder RF-Ausgangs angepasst wird. Der PA kann dann so gestaltet werden, dass er stärker ist, um eine übermäßige Batteriebelastung zu vermeiden.

Ein Verstärker wird oft verwendet, um die höheren Leistungsbedingungen zu simulieren, die für die Kompressionsprüfung des RF-Front-End-Geräts erforderlich sind. Die meisten Generatoren, egal, ob CW oder VSG, haben einen begrenzten Ausgangsleistungspegel von nicht mehr als +10 dBm. Um die höhere Leistung eines RF-Front-End-Geräts zu simulieren, muss dieses Signal oft bis auf +18 oder +20 dBm verstärkt werden. Das vom CW oder VSG erzeugte RF-Signal wird durch den Verstärker geleitet, um die entsprechende Verstärkung auszugeben.

Da Sie nun ein besseres Verständnis der verschiedenen Messungen, Komponenten und Instrumente haben, die bei RF-Front-End-Tests verwendet werden, können Sie sich mit einem PXI-basierten System vertraut machen.

^{Abbildung 12: Dieses System ist für das Testen eines RF-Front-End-Geräts eingerichtet.}

Die folgenden Produkte stellen einen grundlegenden PXI-basierten RF-Front-End-Geräte-Test dar:

• PXI-Controller — Embedded-Mehrkern-Prozessor für schnelle parallele oder zusammengesetzte Messungen

• HSDIO — HSDIO für ein beliebiges digitales Steuersignal; kann mit SPI, MIPI, I²C, benutzerdefinierter digitaler und statischer digitaler Steuerung für bis zu 20 Leitungen betrieben werden

• AWG — Signalverlaufsgenerator für beliebige Schwingungen mit 16-Bit-Auflösung, integrierter Skripterstellung und Triggerung für präzise V_Rampe-Steuerung

• Batteriesimulator — Spezielle Netzversorgung für den Test von RF-Mobilgeräten; ultraschnelles Einschwingverhalten für Burst-RF-Signale

• RF-Vektorsignalgenerator — VSG für eine Spanne von 100 MHz, der 2G- bis 4G-Mobilfunksignale sowie drahtlose Netzwerksignale wie WLAN unterstützt

• RF-Vektorsignalanalysator — VSA für eine Spanne von 50 MHz, der 2G- bis 4G-Mobilfunksignale sowie drahtlose Netzwerksignale wie WLAN unterstützt

• Digitizer — Hochauflösender Digitizer zur Erfassung des V_detect-Signals oder anderer schneller transienter Signale mit einer Bandbreite von bis zu 43 MHz

^{Abbildung 13: Dieses Diagramm zeigt die Geräte, die in einer typischen Konfiguration verwendet werden.}

• RF-Vorverstärker — Programmierbarer Vorverstärker/Verstärker mit bis zu 50 dB Verstärkung; kann die Ausgangsleistung des NI PXIe-5673E auf +21 dBm erhöhen, was für die 1-dB-Kompressionsprüfung einer PA wichtig ist; jenseits von +21 dBm ist die Alternative ein externer Verstärker

• RF-Schaltmodul — Eines von mehreren unterschiedlichen RF-Schaltmodulen zum Schalten der Generator- und Analysator-Kanäle (da auf den meisten Geräten mehrere Bänder unterstützt werden, benötigen Sie mehr als einen Pfad zum RF-Front-End-Gerät. Statt mehr Generatoren und Analysatoren können Sie ein hochwertiges Schaltmodul für das Ändern von Ein- und Ausgängen automatisieren.)

^{Abbildung 14: Bei einem spezielleren Test werden ein Quelltuner und ein Lasttuner (Load-Pull) verwendet, um auf nichtlineares Verhalten und Eingangs-/Ausgangsimpedanzschwankungen zu testen.}

• VNA — Zwei-Schnittstellen-VNA zur Messung der Einfügungsdämpfung, der Rückflussdämpfung und des VSWR des HF-Front-End-Geräts (Abbildung 14 zeigt eine gestrichelte Linie, die den Anschluss des VNA darstellt)

• Source Tuner und Load-Pull-Gerät — Getrennte Geräte von Drittanbietern wie Maury Microwave und Focus Instruments

• Leistungsmesser — Eigenständiger USB-basierter Leistungssensor und -messer in einem Gerät; Hochleistungsgenauigkeit für Impedanzmessung und Systemkalibrierung

Verwendung des PXI-Formfaktors für Tight-Trigger- und Timing-Integration im RF-Front-End-Test

Ein wichtiger Aspekt für RF-Front-End-Tests ist die Timing- und Trigger-Integration, die für die Durchführung verschiedener Tests erforderlich ist. Ein Trigger spielt beim Testen eines PA-Geräts eine wichtige Rolle. Ohne genaue Trigger gibt das Gerät fehlerhafte Ergebnisse aus, die auf falsch ausgerichtete Geräteleistung, V_Rampe oder HF-Signalerzeugung und -erfassung zurückzuführen sind.

Sehen Sie sich zum Beispiel noch einmal das PA-Gerät in Abbildung 10 an. Zum Testen dieses Geräts müssen mehrere Leitungen gleichzeitig gesteuert und ausgelesen werden. Der PA muss über den Anschluss V_batt mit Strom versorgt werden. Da es sich um ein batteriebetriebenes Gerät handelt, handelt es sich um einen Strom-Burst, der ausgelöst wird, wenn das HF-Signal an ihn gesendet wird. Sie müssen auch die Verstärkung des Signals V_Rampe steuern, was in der Regel einen AWG erfordert, um die richtige Rampe zu erstellen. Sie müssen auch Modus und Frequenz steuern, dies muss jedoch nicht über das Timing gesteuert werden. Abschließend muss das RF-Eingangssignal mit einer bestimmten Timing-Sequenz gestartet werden. All dies ist in Abbildung 15 dargestellt.

^{Abbildung 15: Trigger-Referenzdiagramm für PA-Test}

Da PXI von jedem Modul über die Backplane ausgelöst werden kann, können Sie für alle oben genannten Geräte sowie für Nur-Capture-Geräte wie den VSA und den Digitizer dieselbe Trigger-Referenz verwenden (siehe Abbildung 16). Alternativ können der VSA und der Digitizer mit Hilfe der I/Q-Leistungs- Trigger des NI PXIe-5663 auf ihren eigenen Trigger referenzieren, um basierend auf dem RF-Signalleistungspegel zu erfassen. Vor-Trigger-gepufferte Daten können so konfiguriert werden, dass das interessierende Signal mit Signalrampe nach oben, Signalprofil und Signalrampe nach unten erfasst wird.

^{Abbildung 16: Die PXI-Backplane demonstriert die Trigger-Verbindung zwischen dem VSG und dem Batteriesimulator.}

Vorteile bei der Dauer der Messung mit PXI

PXI bietet erhebliche Zeitersparnisse gegenüber herkömmlichen Messgeräten für RF-Front-End-Gerätetests. Die Testzeit wird in vier Bereichen verkürzt:

1. Neueste offene Prozessoren für die schnellste Signalverarbeitung
2. FPGA-Technologie für Echtzeit-Signalverarbeitung und -Messungen
3. Schnelle PCI-Express-Backplane für den Datenaustausch und die Kommunikation mit dem Host-Controller mit geringer Latenz
4. Flexible Software für optimierte Systemkonfiguration und Kommunikation

Neueste offene Prozessoren für die schnellste Signalverarbeitung

Wie jede andere Anwendung, die von einer schnelleren CPU profitiert, profitiert auch die Signalverarbeitung für PA-Tests davon. RF-Signale stellen oft eine Herausforderung für die Testzeit dar, da sie eine intensivere Signalverarbeitung erfahren als niedrige Frequenzsignale. Das Signal stammt nicht nur von einer höheren Frequenz durch Abwärtswandlung, sondern hat auch mehr Breitbandanteil. Mit dem Aufkommen neuer Technologien wie LTE und 802.11 ac können Bandbreiten leicht 80 MHz überschreiten, sodass A/D-Wandler mit 200 MS/s oder schneller abtasten müssen. Sobald das Signal digitalisiert ist, muss es für Modulationsgenauigkeit oder Spektrumermittlungen vom Basisbandformat aus verarbeitet werden (unter der Annahme, dass eine digitale Abwärtskonvertierung am IF-Signal stattfindet). Dazu gehören das Entfernen von Impulsformfiltern, die Dekodierung von Kanälen sowie die Demodulation oder Formatierung für Spektrumermittlungen. Beim Umgang mit 200 Mega-Datensamples ist viel Verarbeitung erforderlich.

Eine gängigere Methode ist die Verwendung eines Multicore-Prozessors. PXI-Testsysteme bieten eine Multicore-Verarbeitung mit einem Embedded-Controller oder einem offenen PC mit Remote-MXI. Mehrkernprozessoren si nd als Folge von Problemen mit der Wärmeentwicklung des Prozessors bei steigenden Taktraten entstanden. Ohne aufwändigere Kühlung wie Wasser oder Stickstoff mussten die Taktraten von Mikroprozessoren begrenzt werden. PXI nutzt die Vorteile mehrerer Kerne, indem es die Geräte parallel ausführt, Multithreading verwendet und zusammengesetzte Messungen durchführt.

In den folgenden Tabellen sind die Testzeitunterschiede zwischen einem Dual-Core-Prozessor und einem Quad-Core-Prozessor dargestellt. Diese Messungen gelten für GSM- und EDGE-Signale.

GSM/Flanke