Pruebas del frente de RF con NI PXI

^{Figura 1: Un diseño de teléfono típico consta de varios componentes que hacen posible la comunicación inalámbrica.}

Antena

Integrar diferentes antenas en un teléfono puede resultar complicado. Cuando usted tiene diferentes frecuencias para cada estándar, es mejor utilizar una antena específica para obtener el mejor rendimiento. En algunos casos, usted puede compartir antenas utilizando el filtrado o anticipando la pérdida de la longitud de la antena no ideal. Tome el caso de su teléfono típico cuando necesite proporcionar múltiples bandas para cobertura en diferentes países. Por ejemplo, es posible que deba soportar bandas GSM tan bajas como 380 MHz y tan altas como 1,900 MHz. Según el cálculo de la longitud de onda de su señal de radio, usted puede determinar la longitud de su antena.

Por lo tanto, tiene diferentes longitudes de antenas desde 7.5 cm hasta 37 cm según una fórmula simplificada de diseño de antena dipolo.

Otro desafío que tienen los fabricantes de teléfonos, además de la antena compartida, es la impedancia de la antena en comparación con la impedancia del resto de los electrónicos. Debido a que una antena entra en contacto con medios no ideales, como una mesa metálica o alguna otra conexión a tierra simple, provoca una variación en la impedancia eléctrica de la antena. Esta impedancia causa un reflejo de la señal o algo peor, lo que hace que la administración de energía sea un desafío para un teléfono. Las nuevas tecnologías, como los sistemas microelectromecánicos (MEMS), parecen prometedoras para controlar mecánicamente estos cambios de impedancia a una velocidad muy rápida.

Duplexor

Con un duplexor, tanto la transmisión como la recepción de la señal celular principal pueden ocurrir en la misma antena compartida. En el caso del teléfono, el duplexor actúa como un dispositivo de conmutación rápida. La recepción de la señal desde la estación base generalmente pasa por un amplificador de bajo ruido (LNA) para agregar ganancia antes de ser convertida hacia abajo por el transceptor de RF y finalmente al procesador de banda base (ver figura 2). La generación pasa por el AP para agregar ganancia a la señal para su transmisión de regreso a la estación base.

^{Figura 2: El teléfono recibe la señal de RF en la imagen de la izquierda y genera la señal de RF en la imagen de la derecha.}

Amplificador de potencia

Uno de los componentes más importantes del teléfono móvil es el amplificador de potencia (AP). El AP proporciona ganancia a la señal de RF generada. Dependiendo del estándar, esto podría generar hasta 30 dBm o 1 watt de potencia desde un teléfono. Afecta la vida útil de la batería más que otros componentes del teléfono, por lo que se debe prestar especial atención para que esto sea lo más eficiente posible.

Transceptor de RF

El transceptor de RF es el frente principal del procesador de banda base. Convierte la señal de la frecuencia de RF elegida a una frecuencia intermedia típicamente por debajo de 100 MHz y, generalmente, con un procesamiento adicional de la señal a banda base (0 Hz) para obtener los datos complejos originales transmitidos. También convierte en forma ascendente los datos de banda base del procesador, normalmente a través de un modulador I/Q directamente a una frecuencia de RF.

Procesador de banda base

Aunque no es el tema central de esta nota técnica, es importante comprender la función de este componente. El procesador de banda base recopila los datos capturados del transceptor de RF y extrae los datos sin procesar a través de la demodulación y otro procesamiento de señales. Este contenido puede incluir cualquier cosa, desde información de audio hasta video o información de bits del navegador para navegar por la web. También hace lo contrario procesando la señal y modulando los datos. Además de administrar solo la parte de la capa física de los datos, también se ocupa de los requisitos de señalización para que el teléfono se comunique con la estación base.

Una diferencia entre los dispositivos de frente de RF, como el AP, y los otros componentes del dispositivo móvil es la forma en que están hechos. Debido a que el silicio (Si) no tiene excelentes propiedades para las señales basadas en microondas, no se usa comúnmente para dispositivos de RF. En cambio, los AP y otros dispositivos de frente de RF están hechos con arseniuro de galio (GaAs), que es el compuesto semiconductor más común. Sin embargo, los dispositivos más nuevos también utilizan fosfuro de indio (InP), germanio de silicio (SiGe) y nitruro de galio (GaN). Estos compuestos tienen la ventaja de uniones de transistores más rápidas y tolerancias para señales de mayor frecuencia. La desventaja es que son más caras de fabricar y tienen tamaños de oblea más pequeños. Por estas razones, existe mucha investigación y desarrollo para trasladar los dispositivos de microondas al silicio.

Desarrollar un teléfono con todos sus componentes puede generar muchos problemas o errores sin las pruebas adecuadas. Estos errores pueden agravarse entre sí para degradar el rendimiento general del teléfono. Por lo tanto, es importante probar cada componente para garantizar la calidad y probar todo el teléfono para garantizar una integración adecuada. Tradicionalmente, las pruebas de los componentes semiconductores se realizan una vez que están empaquetados. Sin embargo, debido al costo de los nuevos procesos y desarrollo de obleas, es cada vez más importante detectar cualquier problema con el silicio antes de empaquetar.

Se ha demostrado que muchas de estas pruebas son las más efectivas para detectar problemas con el dispositivo semiconductor. Para la prueba de caracterización, también pueden proporcionar información sobre la función del chip. Las siguientes secciones discuten qué pruebas son apropiadas para caracterización, producción o ambas. Algunas pruebas se utilizan tanto para chips empaquetados como para pruebas a nivel de oblea.

Las pruebas se pueden clasificar en cinco categorías: Medidas de potencia de RF, medidas espectrales, análisis de redes, medidas de precisión de modulación y medidas de DC.

Medidas de potencia de RF

La potencia de Tx o la potencia de transmisión es probablemente la medida más común realizada para un dispositivo. La potencia de salida del dispositivo debe cumplir con su diseño. Usted puede realizar esta medida utilizando una variedad de equipos de medidas, incluyendo un medidor de potencia, un analizador vectorial de señales (VSA) y un analizador vectorial de redes (VNA).

La potencia versus tiempo (PVT) mide la potencia de ráfaga y la potencia media de una señal. Comúnmente se utiliza para señales de RF de arranque, como GSM o WLAN. A menudo, se coloca una máscara alrededor de la señal para asegurarse de que cumpla con la prueba.

^{Figura 3: Una medida PVT se usa comúnmente para señales de arranque.}

Ganancia es una medida importante para los AP. Ganancia = P_in - P_out donde P_in es la potencia de entrada al amplificador y P_out es la potencia de salida resultante después de la amplificación. Al tener una potencia de entrada conocida, generalmente utilizando buenas técnicas de calibración, usted puede usar esto como su referencia de P_in. Un dispositivo de alta precisión, como un medidor de potencia, mide la P_out. Algunos productos de medidas, como los VSAs, también pueden medir la ganancia si miden la ganancia relativa.

La pérdida de retorno proporciona información sobre el reflejo de la señal original cuando pasa por el dispositivo de frente de RF. Esto es importante especialmente cuando se intenta medir la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) para una mejor combinación de impedancia. Debido a que hace referencia a una relación de la señal de entrada y salida, generalmente se mide con un VNA. En algunos casos, es posible utilizar un generador vectoriales de señales (VSG), VSA y acoplador, aunque se debe tener cuidado al realizar la calibración del sistema de este hardware.

La eficiencia de la potencia es una de las medidas del AP más importantes porque determina qué tan bien un AP utiliza la energía de la batería de un dispositivo móvil. Cuanto mayor sea la eficiencia, más durará la batería, lo que es ideal para los fabricantes de dispositivos. Usted puede calcular la eficiencia de potencia de dos formas diferentes, dependiendo si el dispositivo es un amplificador de alta ganancia.

Donde P_out es la potencia medida por el amplificador, P_DC es la potencia suministrada desde la fuente de la batería o el simulador de batería, y P_in es la potencia de entrada, que suele ser un tono de controlador o una forma de onda continua (CW).

La compresión de 1 dB también es una medida importante. Dado que los AP eventualmente se vuelven no lineales a medida que se llevan a su nivel máximo de salida, comienzan a desviarse de su salida lineal ideal. Esta desviación se ilustra mejor en la Figura 4.

^{Figura 4: La compresión de 1db es el punto donde el amplificador lineal ideal y el amplificador del mundo real se desvían en 1 dB.}

A medida que aumenta la entrada de potencia o P_in, el AP comienza a saturarse y nivelarse a una salida de potencia máxima llamada P_sat. El punto donde el amplificador lineal ideal y el amplificador del mundo real se desvían en 1 dB se llama compresión de 1 dB. La señal está comprimida por su punto de saturación natural. En el diseño del AP, es ideal acercarse lo más posible a este punto de 1 dB debido a las eficiencias de potencia cercanas a este nivel.

Servoing es un concepto único para los AP. Debido a que se debe conocer la potencia de salida calibrada, se utiliza una técnica de control de potencia para determinar esta cantidad de ganancia final. Esto se hace creando un ciclo de control para capturar una potencia de salida deseada y controlando la potencia del generador hasta que se logre esa potencia de salida. En términos simples, utiliza un ciclo de control proporcional para oscilar los niveles de potencia hasta que el nivel de potencia de salida llega al mismo punto de la potencia deseada.

^{Figura 5: En servoing del AP, un ciclo de control oscila entre niveles de potencia hasta que coinciden el nivel de potencia de salida y la potencia deseada.}

La intercepción de tercer orden (TOI) y la distorsión de intermodulación (IM3) son dos especificaciones estrechamente relacionadas que se utilizan para enumerar la linealidad de un sistema de RF. Ambas especificaciones son reveladoras en lo que respecta al nivel de productos de distorsión de tercer orden en relación con la potencia del instrumento. Los productos de distorsión de tercer orden pueden interferir con la señal original y, por lo tanto, reducir su característica de señal a ruido. Esto, a su vez, hace que sea más difícil que los esquemas de modulación de orden superior o más complejos funcionen correctamente en un sistema.

Los armónicos también son importantes de medir porque pueden afectar el producto de salida del dispositivo, lo que puede interferir con otras señales de RF o causar un problema de cumplimiento con la Comisión Federal de Comunicaciones u otro organismo de comunicaciones del gobierno. Usted puede medir armónicos hasta el séptimo orden para diferentes estándares. Por ejemplo, puede medir los armónicos para la banda PCS de 1,800 MHz hasta el séptimo orden, que es aproximadamente 12.6 GHz.

Los estímulos también se miden comúnmente durante el diseño. Estos afectan la relación señal-ruido (SNR), por lo que se realizan modificaciones de diseño para eliminarlos en el espectro medido.

Medidas espectrales

La potencia del canal adyacente mide la forma en que un canal en particular y sus dos canales adyacentes distribuyen la potencia. Usted puede realizar esta medida calculando la potencia total en el canal y también la potencia total en los canales superior e inferior circundantes. Dependiendo del estándar de tecnología que esté midiendo, existen diferentes criterios para las medidas de potencia del canal adyacente. Por ejemplo, el estándar inalámbrico de acceso múltiple por división central (CDMA) requiere que las transmisiones se ajusten a un ancho de banda de 4.096 MHz. Además, la potencia del canal adyacente, medida en compensaciones de 5 MHz, debe estar al menos 70 dB por debajo de la potencia promedio en el canal.

La relación de fuga de potencia del canal adyacente (ACLR) es una relación entre la potencia del producto y el nivel de potencia de los productos del canal adyacente. Esto se usa más comúnmente para medidas CDMA de banda ancha. Para otros estándares, también se conoce comúnmente como la relación de potencia del canal adyacente (ACPR). La razón principal de esta medida es doble: Mide cualquier interferencia de canal adyacente, que puede afectar a otro espectro fuera del dispositivo de interés y, lo que es más importante, es otro método para medir productos de intermodulación de tercer orden introducidos por el dispositivo. La Figura 6 ilustra esta medida para una señal WCDMA dada.

^{Figura 6: Esta forma de onda WCDMA ilustra ACPR o ACLR.}

El espectro de RF de salida (ORFS) es una medida de banda estrecha que proporciona información sobre la distribución de la potencia espectral fuera del canal del transmisor de la estación móvil debido a la modulación y la conmutación según se define en la especificación 3GPP. Esta medida se usa comúnmente para GSM, GPRS y EGPRS donde la modulación GMSK (solo fase) se usa para transmitir y recibir datos.

La medida ORFS calcula la potencia en varias frecuencias desplazadas de la frecuencia del dispositivo para determinar cuánto se filtra la ráfaga a otras bandas de frecuencia. La potencia en cada desplazamiento es referenciada de nuevo a la potencia del dispositivo y se informa en términos de dBc.

Hay dos tipos de medidas ORFS. La medida de ORFS de modulación examina el contenido de frecuencia del centro de una ráfaga, mientras que la medida de ORFS de conmutación mide el contenido de frecuencia de las porciones ascendentes y descendentes de una ráfaga. En general, el ORFS de conmutación informa valores más altos a una frecuencia determinada que el ORFS de modulación. En la especificación 3GPP, los desfases de frecuencia definidas se utilizan para modulación y conmutación:

• Modulación: +/-200 kHz, +/-250 kHz, +/-400 kHz, +/- 600 kHz, +/-1.2 MHz, +/-1.8 MHz
• Conmutación: +/-400 kHz, +/-600 kHz, +/-1.2 MHz, +/-1.8 MHz

^{Figura 7: Este es el ORFS para una señal GSM.}

Al introducir modulación de fase y amplitud como QPSK o 16QAM, es común usar una medida de magnitud de vector de error (EVM) en su lugar.

La función de distribución acumulativa complementaria (CCDF) es un método de medida estadística que puede utilizar para analizar las características de potencia de una señal. Demuestra cuánto tiempo existe una señal a ciertos niveles de potencia durante un período de tiempo definido. En una señal CDMA o WCDMA, hay picos de potencia más altos que ocurren con la transmisión de la señal. Estos picos son necesarios para una transmisión de datos adecuada aunque, si los picos duran demasiado, pueden indicar compresión para un dispositivo del AP. Esto se puede ver en la gráfica de la figura 8, que muestra más transmisión máxima en comparación con la transmisión máxima normal durante un período de tiempo determinado.

^{Figura 8: Función de distribución acumulativa complementaria}

Análisis de red

La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es la relación de amplitud máxima a mínima en la onda de interferencia resultante, como se muestra en la siguiente fórmula:

  donde p es el coeficiente de reflexión definido como

A = onda reflejada y R = onda incidente

^{Figura 9: Definición de p o el coeficiente de reflexión}

Cualquier desajuste de impedancia a lo largo de una línea de transmisión causa una reflexión parcial de las señales que se propagan. La diferencia de impedancia determina la magnitud de la reflexión. La longitud de una sección que no coincide determina las frecuencias de señal más bajas que se reflejan en la sección. VSWR es una medida de la reflexión de esa señal.

La pérdida de retorno también es una medida de reflexión como VSWR, pero generalmente se expresa en dB. Usando el mismo coeficiente de reflexión anterior, puede expresarlo de la siguiente manera:

Pérdida de retorno en dB = –20 log (p)

Usted puede medir la pérdida de retorno hacia adelante, que es más común para los dispositivos de frente de RF como los AP, o la pérdida de retorno inverso, que puede usar para los transceptores de RF.

Medidas de precisión de modulación

El error de fase y frecuencia (PFER) es una medida común para señales GSM, GPRS y EGPRS. Dado que la señal modulada se basa completamente en fase (GMSK) sin desplazamiento de amplitud, se necesita un método de medida para determinar la calidad de esa fase y, por lo tanto, su calidad de modulación. Normalmente se miden tanto la raíz cuadrada media (RMS) como la fase de pico. El error de fase RMS da el promedio RMS del error de fase en una ráfaga completa, mientras que el error de fase pico da el peor error de fase medido en la ráfaga.

La magnitud del vector de error (EVM) es una medida del rendimiento del demodulador en presencia de degradaciones. El vector de error para un símbolo recibido se define en el plano I/Q como el vector entre un símbolo recibido y la ubicación ideal del símbolo. Para calcular el EVM, se toma la relación entre la magnitud del vector de error y la magnitud del punto de constelación esperado.

La tasa de error de modulación (MER) es una medida de la relación señal/ruido (SNR) en una señal modulada digitalmente.

Medidas de DC

La corriente se puede medir en diferentes partes del frente de RF. Se puede medir al voltaje de alimentación para alimentar el dispositivo. También se puede medir en los canales accesorios para las líneas digitales, V_ramp o líneas de control de modo y frecuencia.

La corriente de fuga por lo general se realiza con dispositivos semiconductores como frentes de RF. La medida de corriente de fuga ayuda a determinar el aislamiento entre los pines de un dispositivo semiconductor. Al usar una unidad de medida de fuente (SMU), usted puede medir la corriente de fuga para cualquier pin determinado.

La medida de V_detect es la medida de voltaje de la línea de control de salida desde un AP. Este V_detect emite una señal de control para la batería del dispositivo para indicar cuánta potencia se necesita para V_batt en el AP.

^{Figura 10: Esta es una ilustración de cómo se ve un AP de dispositivo móvil genérico.}

Un AP tiene al menos dos entradas diferentes, entrada de RF (1) y (2), debido a las grandes diferencias en las bandas de dispositivos móviles. Por ejemplo, GSM puede operar en el rango de 800 MHz así como en el rango de PCS de 1.8 GHz. Esto requiere una amplificación separada para tener en cuenta las diferencias de frecuencia. También los AP multimodo para dispositivos móviles de próxima generación a menudo combinan GSM con otro estándar como WCDMA o LTE. Puede haber cuatro o más entradas en el AP. En este caso, los modos se dividen en banda alta y banda baja para las diferentes frecuencias y también tienen diferentes entradas para los diferentes estándares para optimizar las eficiencias de amplificación.

V_batt es la potencia suministrada al AP desde la batería o un instrumento simulador de batería

V_ramp es una línea de entrada de control para ayudar a controlar la ganancia del AP. Es especialmente importante para las señales GSM/GPRS/EDGE/EDGE+ de arranque, donde el perfil de la señal es importante.

Dependiendo de la complejidad del AP, puede contener distintas líneas de control de modo y banda para el control de potencia de conmutación (modo/banda/SPI). Por ejemplo, el control de modo puede pasar de un modo GSM a un modo EDGE. La banda se ajusta para las diferentes bandas de frecuencia en las que puede operar el AP. En los AP de próxima generación, la tendencia es hacia usar una interfaz periférica serial (SPI) y, finalmente, MIPI (una interfaz serial de alta velocidad más nueva). SPI y MIPI utilizan una interfaz de control digital de alta velocidad que usted puede integrar a través del IC de administración de energía (PMIC), la CPU y otros chips en el teléfono móvil.

Al igual que las entradas, hay al menos dos salidas, salida de RF (1) y (2), en el AP de hoy en día. Estos son para diferentes bandas de frecuencia. La tendencia de los AP más nuevos es tener múltiples estándares, modos y frecuencias.

V_detect emite una señal de control para la batería del dispositivo para indicar cuánta potencia se necesita para V_batt en el AP.

Al interactuar con el dispositivo de frente de RF para la caracterización y la prueba de producción, generalmente se utilizan varios equipos. Las siguientes secciones describen la instrumentación más común y cómo se interconecta con el dispositivo de frente de RF.

^{Figura 11: Esta colección de instrumentación es la configuración de pruebas tradicional para una prueba de dispositivo de frente de RF.}

Los analizadores de espectro predominan en cualquier laboratorio o instalación de desarrollo de dispositivos de RF. Ofrecen grandes medidas de potencia para señales desconocidas y son fáciles de configurar para capturar señales de RF. En una prueba de frente de RF, comúnmente se utilizan para captura de señales de RF de alta frecuencia, como pruebas de armónicos y estímulos. Si necesita realizar una medida de séptimo orden de un dispositivo WLAN, necesitará un analizador que pueda medir hasta 40 GHz. Debido a que el analizador no tiene filtros de paso banda nativos, es común agregar un filtro externo a la entrada para que el dispositivo principal tenga suficiente rango dinámico para medir armónicos o estímulos. A menudo, se utilizan diferentes bancos de filtros para las bandas celulares o bandas de red inalámbrica para WLAN, Bluetooth, ZigBee, etc.

Un analizador vectorial de señales (VSA) es uno de los equipos de pruebas más importantes para la prueba de dispositivos de frente de RF. Similar a un analizador de espectro para medidas de potencia, puede medir información de fase, lo cual es importante para medidas de precisión de modulación. Además de esta capacidad de captura de fase y magnitud, también tiene una digitalización muy rápida de la señal de RF (realizada después de la bajo-conversión), lo que resulta en una captura dinámica de señales. Esto es preferido para tecnologías de espectro ancho como WCDMA o WLAN. Es posible que se requiera un ancho de banda de 30 MHz con información de fase continua. El VSA se conecta a la salida de RF (1) y la salida (2) del AP (consulte la figura 10).

Un generador de funciones de RF, también conocido como generador de onda continua (CW), proporciona una señal de RF precisa para ingresar al dispositivo de frente de RF. Estos generadores comúnmente se utilizan para la calibración del sistema o se combinan para la generación de múltiples tonos para IMD e IP3 o como una interferencia de canal adyacente.

Un generador vectorial de señales (VSG) es el tipo más común de generador en un laboratorio o instalación que realiza el desarrollo de dispositivos de frente de RF. Proporciona no solamente una salida de señal de RF controlada para potencia y frecuencia, sino también una señal de salida controlada por fase. Esto se hace típicamente a través de una arquitectura superheterodina o una arquitectura de modulador I/Q. También puede utilizar el VSG para la calibración del sistema, la generación de múltiples tonos y la interferencia de canal adyacente. Sin embargo, lo que es más importante, puede generar señales moduladas en el dispositivo de frente de RF. Esto es fundamental para probar la precisión de la modulación de la señal después de que pasa a través del dispositivo. El VSG se conecta a la entrada de RF (1) y la entrada (2) del dispositivo del AP (consulte la figura 10).

El analizador vectorial de redes (VNA) no es tan común como otros instrumentos en el laboratorio de dispositivos de frente de RF; sin embargo, tiene características importantes para algunas medidas. Se utiliza principalmente para medidas de reflexión y transmisión, como pérdida de retorno, pérdida de inserción y VSWR. Tiene una precisión relativa extremadamente buena, que es importante para las medidas de relación anteriores. A veces, los acopladores externos se utilizan con un generador de CW y un analizador de espectro, pero estos no proporcionan el mismo tipo de precisión que un VNA.

Un interruptor de RF puede estar presente, especialmente cuando se intenta agregar más canales de RF al dispositivo sin el costo adicional de los generadores o los analizadores más costosos. Debido a las estrictas especificaciones de las señales de RF, es más común tener interruptores electromecánicos en una prueba de dispositivo de frente de RF. A medida que avancen los dispositivos semiconductores, podrá reemplazarlos con interruptores de estado sólido, que aumentan la vida útil y la velocidad de conmutación.

Un analizador/generador digital de alta velocidad (HSDIO) proporciona control del dispositivo de frente de RF para cambiar modos (estándares como CDMA o LTE), bandas de frecuencia y otras configuraciones del dispositivo. A medida que los dispositivos móviles se vuelven más sofisticados, se están adoptando estándares como MIPI para proporcionar un protocolo de comunicación común entre todos los chips. Un HSDIO puede proporcionar comandos estáticos simples o comandos seriales de alta velocidad para los protocolos MIPI y SPI. Esto se vuelve más necesario a medida que las interfaces digitales pasan a interfaces seriales de mayor velocidad en comparación con las interfaces digitales paralelas tradicionales. El HSDIO se conecta al puerto de modo/banda/SPI del dispositivo del AP (consulte la figura 10).

Un generador de forma de onda arbitraria (AWG) controla la señal V_ramp de un AP. Debido a que muchas señales de RF se rompen en lugar de una transmisión continua, es importante generar el perfil correcto de la señal. La línea de control V_ramp (como se ve en la figura 10) está interconectada con el AWG. V_ramp es responsable del perfil de control de ganancia de un AP. Un AWG permite la síntesis completamente controlada de una forma de onda analógica. Se pueden lograr fácilmente diferentes tipos de perfiles de rampa personalizados con un AWG de 100 MS/seg o más rápido.

Un simulador de batería es para la fuente de alimentación principal del frente de RF. En el AP del dispositivo móvil, esta corriente puede ser de 3 amps o más, dependiendo del estándar y la frecuencia de esta señal que amplifica. Otro requisito importante de la fuente de alimentación es tener una respuesta transitoria rápida también para garantizar los perfiles de potencia correctos de la señal de RF de arranque. V_batt, en la figura 10, por lo general se suministra por el simulador de batería, especialmente para GSM o señales similares sensibles a ráfagas.

Una unidad de medida de fuente (SMU) es un suministro de batería especializado que es común para los dispositivos de frente de RF. Se diferencia de una fuente de alimentación estándar en que proporciona capacidades de lectura en el rango de corriente de amps o menor. También puede operar en cuatro cuadrantes para proporcionar sourcing o sinking de la potencia de la señal. La SMU puede conectarse a múltiples líneas en el dispositivo de frente de RF. En la Figura 10, esto podría ser los puertos V_ramp, V_detect, V_batt y modo/banda/SPI para medir el rendimiento de la corriente y la línea. En la prueba de producción, el SMU se puede combinar con el HSDIO en un producto llamado unidad de medida de potencia por pin (PPMU). Este dispositivo tiene la misma capacidad que un instrumento HSDIO típico, pero también tiene capacidad de potencia y medidas como el SMU. Por lo general, no es tan preciso como un SMU por sí mismo, pero puede tener cantidades de canales mucho más densas.

Un multímetro digital es probablemente uno de los instrumentos más comunes en un laboratorio y también aparece en los laboratorios de dispositivos de frente de RF. Aunque no es tan crítico como una SMU, puede medir caídas de voltaje en las líneas o fugas de corriente de muchas de las mismas líneas de control y monitoreo. Un multímetro digital puede tener medidas de corriente y voltaje tan precisas como un SMU.

Un osciloscopio o digitalizador es para medidas en el dominio del tiempo. Para los dispositivos de frente de RF, es una herramienta útil para solución de problemas, especialmente con su alta capacidad de frecuencia de muestreo. La línea V_detect de la figura 10 se mide usando un digitalizador debido a sus valores que cambian rápidamente.

Un medidor de potencia es importante para el dispositivo de frente de RF. La precisión de la potencia de RF evoluciona a partir de este dispositivo en el laboratorio. Por lo general, tiene una precisión de potencia 10 veces mejor o más que un analizador de espectro o VSA. Utiliza un tipo diferente de arquitectura para capturar potencia y, debido a esta arquitectura, generalmente tiene un rango de potencia limitado. Sin embargo, a menudo se utiliza como referencia para la calibración del sistema, por lo que se pueden realizar medidas fuera de su rango o para medidas más rápidas. Los dispositivos de frente de RF deben caracterizarse directa o indirectamente con un medidor de potencia para garantizar una salida de nivel de potencia correcta.

Un tirón de carga no es tan común como otra instrumentación en el laboratorio de dispositivos de frente de RF, pero es una pieza importante del equipo para la simulación del mundo real. Normalmente, la impedancia de la antena conectada a través de un AP varía según su entorno. Podría estar cerca de una estructura metálica o apoyado contra un asiento de automóvil. Esto afecta la impedancia ajustada entre el dispositivo de frente de RF y la antena. Esto, a su vez, puede hacer que el VSWR aumente, lo que hace que el frente de RF desee proporcionar más potencia para compensar y, por lo tanto, agotar la batería más rápido. Un tirón de carga simula esta condición ajustando la impedancia de la entrada o salida de RF. Entonces, el AP puede diseñarse para ser más fuerte para evitar un jalón excesivo de la batería.

A menudo se utiliza un amplificador para simular las condiciones de mayor potencia necesarias para las pruebas de compresión del dispositivo de entrada de RF. La mayoría de los generadores, ya sea CW o VSG, tienen un nivel de potencia de salida limitado a no más de +10 dBm. Para simular la entrada de mayor potencia a un dispositivo de frente de RF, se requiere amplificar esta señal generalmente tan alto como +18 o +20 dBm. La señal de RF generada por CW o VSG pasa a través del amplificador para generar la ganancia adecuada.

Ahora que tiene una mejor comprensión de las diferentes medidas, componentes e instrumentación utilizados en la prueba del frente de RF, puede examinar cómo se ve cuando se usa un sistema basado en PXI.

^{Figura 12: Este sistema está configurado para probar un dispositivo de frente de RF.}

Los siguientes productos componen una prueba básica de dispositivo de frente de RF basada en PXI:

• Controlador PXI—Procesador integrado multinúcleo para medidas rápidas en paralelo o compuestas

• HSDIO—HSDIO para cualquier señal de control digital; puede operar con SPI, MIPI, I²C, control digital personalizado y digital estático para hasta 20 líneas

• AWG—Generador de forma de onda arbitraria con resolución de 16 bits, scripts integrados y disparo para un control preciso de V_ramp

• Simulador de batería—Fuente de alimentación especializada hecha para pruebas de dispositivos móviles de RF; respuesta transitoria ultrarrápida para señales de RF en de arranque

• Generador vectorial de señales de RF—VSG de 100 MHz de ancho que soporta señales celulares de 2 G a 4 G, así como señales de red inalámbrica como WLAN

• Analizador vectorial de señales de RF—VSA de 50 MHz de ancho que soporta señales celulares de 2 G a 4 G, así como señales de red inalámbrica como WLAN

• Digitalizador—Digitalizador de alta resolución para capturar la señal V_detect u otras señales transitorias rápidas de hasta 43 MHz de ancho de banda

^{Figura 13: Este diagrama muestra el equipo utilizado en una configuración típica.}

• Preamplificador de RF— Preamplificador/amplificador programable con hasta 50 dB de ganancia; puede aumentar la potencia de salida del NI PXIe-5673E a +21 dBm, lo cual es importante para las pruebas de compresión de 1 dB de un AP; más allá de +21 dBm, la alternativa es un amplificador externo

• Interruptor de RF—Uno de varios interruptores de RF para conmutar los canales del generador y del analizador (con múltiples bandas compatibles con la mayoría de los dispositivos, necesita más de una ruta al dispositivo de frente de RF). En lugar de más generadores y analizadores, usted puede automatizar un interruptor de alta calidad para conmutar entradas y salidas).

^{Figura 14: Una prueba más especializada utiliza un sintonizador de fuente y un sintonizador de carga (tirón de carga) para probar el comportamiento no lineal y las variaciones de impedancia de entrada/salida.}

• VNA—VNA de dos puertos para medir pérdida de inserción, pérdida de retorno y el VSWR del dispositivo de frente de RF (la figura 14 muestra una línea de puntos que representa la conexión del VNA)

• Sintonizador de fuente y un tirón de carga—Instrumentos de terceros independientes de compañías como Maury Microwave y Focus Instruments

• Medidor de potencia—Sensor de potencia autónomo basado en USB y medidor en una unidad; precisión de alta potencia para medidas de impedancia y calibración del sistema

Usar el formato PXI para perfecta integración de temporización y disparo en la prueba de frente de RF

Un aspecto importante para la prueba de frente de RF es la integración de sincronización y disparo necesarios para realizar diferentes pruebas. El disparo juega un papel importante en la prueba de un dispositivo del AP. Sin un control de disparo, el dispositivo da resultados erróneos debido a que la potencia del dispositivo, V_ramp o la generación y captura de señales de RF están desalineadas.

Por ejemplo, mire nuevamente el dispositivo del AP en la figura 10. Para probar este dispositivo, usted tiene varias líneas para controlar y leer simultáneamente. Se debe proporcionar potencia al AP en el pin V_batt y debido a que está simulando un dispositivo alimentado por batería, es una potencia de arranque, que se activa cuando se le envía la señal de RF. También necesita controlar la ganancia de la señal V_ramp y esto generalmente requiere un AWG para crear la rampa correcta. También necesita controlar el modo y la frecuencia, aunque esto no necesita ser controlado a través de la temporización. Finalmente, la señal de entrada de RF necesita activarse con una secuencia de tiempo específica. Esto se ilustra en la figura 15.

^{Figura 15: Diagrama de referencia de disparo para la prueba del AP}

Dado que usted puede activar PXI a través de su plano trasero desde cualquier módulo, puede compartir la misma referencia de disparo para todos los dispositivos mencionados anteriormente, así como para los dispositivos de solo captura, como el VSA y el digitalizador (consulte la figura 16). De manera alternativa, para el VSA y el digitalizador, pueden hacer referencia a su propio disparo utilizando la función de disparo de potencia I/Q del NI PXIe-5663 para capturar en base a un nivel de potencia de la señal de RF. Los datos almacenados en búfer previo al disparo se pueden configurar para que la señal de interés se capture con la señal ascendente, el perfil y la rampa descendente.

^{Figura 16: El plano trasero PXI demuestra la conectividad del disparo entre el VSG y el simulador de batería.}

Ventajas del tiempo de medidas con PXI

PXI ofrece un ahorro de tiempo significativo en comparación con la instrumentación tradicional para la prueba de dispositivos de frente de RF. El tiempo de prueba se reduce en cuatro áreas:

1. Los procesadores comerciales más recientes para procesamiento de señales más rápido
2. Tecnología FPGA para medidas y procesamiento de señales en tiempo real
3. Plano trasero PCI Express rápido para movimiento de datos y comunicación de baja latencia con controlador host
4. Software flexible para comunicación y configuración del sistema optimizadas

Procesadores comerciales más recientes para procesamiento de señales más rápido

Al igual que en cualquier otra aplicación que se beneficie de una CPU más rápida, el procesamiento de señales para la prueba del AP también se beneficia. Las señales de RF generalmente presentan un desafío para el tiempo de prueba debido a su procesamiento de señales más intenso que las señales de baja frecuencia. La señal no solo se origina en una frecuencia más alta a través de bajo-conversión, sino que también tiene más contenido de banda ancha. Con la aparición de nuevas tecnologías como LTE y 802.11 ac, los anchos de banda pueden superar fácilmente los 80 MHz, por lo que los ADCs deben muestrear a 200 MS/seg o más rápido. Una vez que la señal está digitalizada, debe procesarse desde su formato de banda base (asumiendo que la bajo-conversión digital se realiza en la señal IF) para obtener precisión de modulación o medidas espectrales. Esto puede incluir eliminación del filtro de forma de pulso, decodificación de canales y demodulación o formateo para medidas espectrales. Cuando se trata de 200 mega muestreos de datos, esto requiere mucho procesamiento.

Una forma más común de realizar este procesamiento es con un procesador multinúcleo. Los sistemas de pruebas PXI ofrecen procesamiento multinúcleo con su controlador integrado o una PC lista para usar usando MXI remoto. Los procesadores multinúcleo surgieron como resultado de problemas de generación de calor del procesador a medida que aumentaban las velocidades de reloj. Sin un enfriamiento más sofisticado como agua o nitrógeno, las velocidades del reloj tenían que ser limitadas para el microprocesador. PXI aprovecha los múltiples núcleos ejecutando instrumentación en paralelo, utilizando multithreading y realizando medidas compuestas.

Las siguientes tablas muestran las diferencias de tiempo de pruebas que van de un procesador dual-core a un procesador quad-core. Estas medidas son para señales GSM y EDGE.

GSM/Edge