Test de frontaux RF avec le PXI de NI

^{Figure 1 : Un téléphone standard contient de nombreux composants qui rendent possible la communication sans fil.}

Antenne

L’intégration de différentes antennes dans un téléphone peut être difficile. Lorsque chaque norme comporte différentes fréquences, il est préférable d’utiliser une antenne spécifique pour en tirer le meilleur parti. Dans certains cas, vous pouvez partager des antennes en utilisant un filtrage ou en anticipant les pertes dues à une longueur d’antenne inadaptée. Dans le cas d’un téléphone classique, plusieurs bandes sont nécessaires pour assurer une couverture dans différents pays. Par exemple, vous devrez peut-être prendre en charge des bandes GSM aussi basses que 380 MHz et aussi hautes que 1900 MHz. En vous basant sur le calcul de la longueur d’onde de votre signal radio, vous pouvez déterminer la longueur de votre antenne.

Par conséquent, les longueurs d’antennes varient de 7,5 cm à 37 cm en fonction d’une formule simplifiée de conception d’antenne dipôle.

Outre l’antenne partagée, les fabricants de téléphones doivent relever un autre défi : l’impédance de l’antenne par rapport à celle du reste de l’électronique. Lorsqu’une antenne entre en contact avec un support inadéquat, comme une table métallique ou une autre mise à la masse simple, cela provoque une variation de l’impédance électrique de l’antenne. Cette impédance provoque une réflexion du signal ou pire, ce qui complique la gestion de l’alimentation d’un téléphone. Les nouvelles technologies telles que les systèmes microélectromécaniques (MEMS) semblent prometteuses pour contrôler mécaniquement ces variations d’impédance à un rythme très rapide.

Duplexeur

Un duplexeur permet à la fois la transmission et la réception du signal cellulaire principal sur la même antenne partagée. Dans le cas du téléphone, le duplexeur sert de dispositif de commutation rapide. La réception du signal de la station de base passe généralement par un amplificateur à faible bruit (LNA) pour ajouter du gain avant d’être converti par abaissement de fréquence par l’émetteur-récepteur RF et enfin par le processeur de bande de base (voir la figure 2). La génération passe par le PA pour ajouter du gain au signal en vue de sa transmission à la station de base.

^{Figure 2 : Le téléphone reçoit le signal RF dans l’image de gauche et génère le signal RF dans l’image de droite.}

Amplificateur de puissance

L’amplificateur de puissance (PA) est l’un des composants les plus importants du téléphone portable. Le PA fournit un gain au signal RF généré. Selon la norme, il peut produire jusqu’à 30 dBm ou 1 watt de puissance à partir d’un téléphone. Il affecte davantage la durée de vie de la batterie que les autres composants du téléphone, c’est pourquoi une attention particulière est portée pour le rendre aussi efficace que possible.

Émetteur-récepteur RF

L’émetteur-récepteur RF est le principal frontal du processeur de bande de base. Il convertit par abaissement le signal de la fréquence RF choisie en une fréquence intermédiaire généralement inférieure à 100 MHz, et souvent avec un traitement supplémentaire du signal en bande de base (0 Hz), pour obtenir les données complexes transmises à l’origine. Il convertit également par élévation les données de bande de base du processeur, généralement via un modulateur I/Q, directement en fréquence RF.

Processeur de bande de base

Bien que ce ne soit pas l’objet de ce white paper, il est important de comprendre la fonction de ce composant. Le processeur de bande de base recueille les données capturées par l’émetteur-récepteur RF et extrait les données brutes par démodulation et autres traitements du signal. Ce contenu peut inclure des informations audio, vidéo ou des informations sur les bits du navigateur pour surfer sur le Web. Il fait aussi l’inverse en traitant le signal et en modulant les données. En plus de gérer uniquement la partie de la couche physique des données, il traite également les exigences de signalisation pour que le téléphone puisse communiquer avec la station de base.

L’une des différences entre les frontaux RF, tels que le PA et les autres composants des appareils mobiles, réside dans leur mode de fabrication. Le silicium (Si) n’ayant pas de grandes propriétés pour les signaux hyperfréquences, il n’est pas couramment utilisé pour les appareils RF. Les PA et autres frontaux RF sont plutôt fabriqués en arséniure de gallium (GaAs), le composé semi-conducteur le plus courant. Cependant, des appareils plus récents utilisent également le phosphure d’indium (InP), le silicium-germanium (SiGe) et le nitrure de gallium (GaN). Ces composés présentent l’avantage de permettre des jonctions de transistors plus rapides et des tolérances pour des signaux à plus haute fréquence. En revanche, leur fabrication est plus coûteuse et les wafers sont plus petits. Pour ces raisons, de nombreux travaux de recherche et de développement sont menés pour faire passer les appareils à hyperfréquences au silicium.

Le développement d’un téléphone avec tous ses composants peut entraîner de nombreux problèmes ou erreurs sans un test approprié. Ces erreurs peuvent s’accumuler et dégrader les performances globales du téléphone. Il est donc important de tester chaque composant pour en garantir la qualité et de tester le téléphone dans son ensemble pour assurer une bonne intégration. En général, les composants semi-conducteurs sont testés une fois emballés. Cependant, en raison du coût du développement et des processus des nouveaux wafers, il est de plus en plus important de détecter tout problème lié au silicium avant l’emballage.

Bon nombre de ces tests courants se sont avérés être les plus efficaces pour détecter les problèmes liés au dispositif à semi-conducteurs. Pour les tests de caractérisation, ils peuvent également donner un aperçu de la fonction de la puce. Les sections suivantes traitent des tests appropriés pour la caractérisation, la production ou les deux. Certains tests sont utilisés à la fois pour les puces encapsulées et les tests au niveau du wafer.

Les tests peuvent être répartis en cinq catégories : Mesures de puissance RF, mesures spectrales, analyse de réseau, mesures de la précision de la modulation et mesures CC.

Mesures de puissance RF

La puissance Tx ou puissance de transmission est probablement la mesure la plus courante effectuée pour un appareil. La puissance de sortie de l’appareil doit être conforme à sa conception. Vous pouvez effectuer cette mesure à l’aide de divers appareils de mesure, notamment un wattmètre, un analyseur de signaux vectoriels (VSA) et un analyseur de réseaux vectoriels (VNA).

La mesure de la puissance en fonction du temps (PVT) détermine la puissance en rafale et la puissance moyenne d’un signal. Elle est couramment utilisée pour les signaux RF en rafale tels que GSM ou WLAN. Souvent, un masque est placé autour du signal pour s’assurer qu’il est conforme au test.

^{Figure 3 : Une mesure PVT est couramment utilisée pour les signaux en rafale.}

Le gain est une mesure importante pour les PA. Gain = P _{en entrée} – P _{en sortie}, P _{en entrée} étant la puissance d’entrée de l’amplificateur et P _{en sortie} la puissance de sortie après amplification. Si la puissance d’entrée est connue, généralement grâce à de bonnes techniques d’étalonnage, vous pouvez l’utiliser comme référence P _{en entrée}. Un appareil très précis tel qu’un wattmètre mesure P _{en sortie}. Certains appareils de mesure, tels que les VSA, peuvent également mesurer le gain s’ils mesurent le gain relatif.

L’affaiblissement de réflexion donne un aperçu de la réflexion du signal d’origine lorsqu’il traverse le frontal RF. Ceci est particulièrement important lors de la mesure du rapport d’ondes stationnaires (ROS) pour une meilleure adaptation de l’impédance. Comme il s’agit d’un rapport entre le signal en entrée et le signal en sortie, il est généralement mesuré avec un VNA. Dans certains cas, il est possible d’utiliser un générateur de signaux vectoriels (VSG), un VSA et un coupleur, mais il faut faire attention lors de l’étalonnage du système de ce matériel.

Le rendement énergétique est l’une des mesures de PA les plus importantes car elle détermine la façon dont un PA utilise l’énergie de la batterie d’un appareil mobile. Plus l’efficacité est élevée, plus la batterie dure longtemps, ce qui est idéal pour les fabricants d’appareils. Vous pouvez calculer le rendement énergétique de plusieurs façons, selon que l’appareil est un amplificateur à gain élevé ou non.

P _{en sortie} étant la puissance mesurée de l’amplificateur, P_CC étant la puissance fournie par la source d’alimentation ou le simulateur de batterie, et P _{en entrée} étant la puissance d’entrée, qui est généralement une tonalité de contrôleur ou une forme d’onde continue (CW).

La compression de 1 dB est également une mesure importante. Les PA devenant non linéaires lorsqu’ils sont amenés à leur niveau de sortie maximum, ils commencent à s’écarter de leur sortie linéaire idéale. Cet écart est mieux illustré à la figure 4.

^{Figure 4 : La compression de 1 dB est le point où l’amplificateur linéaire idéal et l’amplificateur réel varient de 1 dB.}

Lorsque vous augmentez la puissance d’entrée ou P _{en entrée}, le PA commence à saturer et à se stabiliser à une puissance de sortie maximale appelée P_sat. Le point où l’amplificateur linéaire idéal et l’amplificateur réel s’écartent de 1 dB est appelé compression de 1 dB. Le signal est comprimé par son point de saturation naturel. Lors de la conception des PA, il est préférable de se rapprocher le plus possible de ce point de 1 dB en raison des rendements énergétiques proches de ce niveau.

L’asservissement est un concept propre aux PA. La puissance de sortie étalonnée devant être connue, une technique de contrôle de puissance est utilisée pour déterminer ce gain final. Pour cela, il faut créer une boucle de contrôle pour obtenir la puissance de sortie souhaitée et contrôler la puissance du générateur jusqu’à ce que celle-ci soit atteinte. En d’autres termes, il utilise une boucle de contrôle proportionnelle pour osciller entre les niveaux de puissance jusqu’à ce que le niveau de la puissance de sortie corresponde à la puissance désirée.

^{Figure 5 : Dans l’asservissement PA, une boucle de contrôle oscille entre les niveaux de puissance jusqu’à ce que le niveau de puissance de sortie et la puissance souhaitée correspondent.}

L’interception de troisième ordre (TOI) et la distorsion d’intermodulation (IM3) sont deux spécifications étroitement liées et utilisées pour énumérer la linéarité d’un système RF. Les deux spécifications sont pertinentes en ce qui concerne le niveau des produits de distorsion de troisième ordre par rapport à la puissance de l’instrument. Les produits de distorsion de troisième ordre peuvent interférer avec le signal d’origine et donc diminuer son rapport signal/bruit. Il est alors plus difficile pour les schémas de modulation d’ordre supérieur ou plus complexes de fonctionner correctement dans un système.

Il est également important de mesurer les harmoniques car elles peuvent affecter le produit de sortie de l’appareil, ce qui peut interférer avec d’autres signaux RF ou poser des problèmes de conformité aux normes de la Commission fédérale des communications ou de tout autre organisme de communication gouvernemental. Vous pouvez mesurer les harmoniques jusqu’au septième ordre pour différentes normes. Par exemple, vous pouvez mesurer les harmoniques de la bande PCS de 1800 MHz jusqu’au septième ordre, soit environ 12,6 GHz.

Les parasites sont aussi couramment mesurées pendant la conception. Ceux-ci affectent le rapport signal/bruit (SNR). Des modifications de conception sont donc apportées pour les éliminer du spectre mesuré.

Mesures spectrales

La puissance de voie adjacente mesure la façon dont une voie spécifique et ses deux voies adjacentes distribuent la puissance. Vous pouvez effectuer cette mesure en calculant la puissance totale de la voie et celle des voies supérieures et inférieures environnantes. Selon la norme technologique que vous mesurez, il existe différents critères pour les mesures de puissance de voies adjacentes. Par exemple, la norme sans fil CDMA (Core Division Multiple Access) exige que les transmissions respectent une bande passante de 4096 MHz. De plus, la puissance de voie adjacente, mesurée à des offsets de 5 MHz, doit être inférieure d’au moins 70 dB à la puissance moyenne de la voie.

Le rapport de fuite de puissance des voies adjacentes (ACLR) est un rapport entre la puissance du produit de la porteuse et le niveau de puissance des produits des voies adjacentes. Il est le plus souvent utilisé pour les mesures CDMA à large bande. Dans d’autres normes, il est également connu sous le nom de rapport de puissance de voie adjacente (ACPR). La raison principale de cette mesure est double : Il mesure toute interférence de voie adjacente, qui peut affecter d’autres spectres en dehors de la porteuse concernée. Plus important encore, c’est une autre méthode pour mesurer les produits d’intermodulation de troisième ordre introduits par la porteuse. La figure 6 illustre cette mesure pour un signal WCDMA donné.

^{Figure 6 : Cette waveform WCDMA illustre l’ACPR ou l’ACLR.}

Le spectre RF de sortie (ORFS) est une mesure en bande étroite qui fournit des informations sur la distribution de l’énergie spectrale hors voie de l’émetteur de la station mobile en raison de la modulation et de la commutation, tel que défini dans la spécification 3GPP. Cette mesure est couramment utilisée pour le GSM, le GPRS et l’EGPRS où la modulation GMSK (phase uniquement) est utilisée pour transmettre et recevoir des données.

La mesure ORFS calcule la puissance à diverses fréquences décalées par rapport à la fréquence porteuse afin de déterminer dans quelle mesure la rafale fuit dans d’autres bandes de fréquences. La puissance à chaque offset est renvoyée à la puissance de la porteuse et exprimée en dBc.

Il existe deux types de mesures ORFS. La mesure ORFS de modulation examine le contenu fréquentiel du centre d’une rafale, tandis que la mesure ORFS de commutation mesure le contenu fréquentiel des portions de rampe montante et descendante d’une rafale. En général, l’ORFS de commutation rapporte des valeurs plus élevées à une fréquence donnée que l’ORFS de modulation. Dans la spécification 3GPP, des offsets de fréquence définis sont utilisés pour la modulation et la commutation :

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

^{Figure 7 : Ceci est l’ORFS d’un signal GSM.}

Lors de l’introduction d’une modulation d’amplitude et de phase telle que QPSK ou 16QAM, il est courant d’utiliser à la place une mesure de l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM).

La fonction de distribution cumulative complémentaire (CCDF) est une méthode de mesure statistique que vous pouvez utiliser pour analyser les caractéristiques de puissance d’un signal. Elle montre combien de temps un signal existe à certains niveaux de puissance sur une période définie. Dans un signal CDMA ou WCDMA, des pics de puissance élevés peu fréquents se produisent lors de la transmission du signal. Ces pics sont nécessaires à la bonne transmission des données, mais s’ils durent trop longtemps, ils peuvent indiquer une compression pour un PA. C’est ce qu’illustre le graphe de la figure 8, qui montre davantage de pics de transmission que de pics de transmission normaux sur une période donnée.

^{Figure 8 : Fonction de distribution cumulative complémentaire}

Analyse réseau

Le rapport d’ondes stationnaires (ROS) est le rapport entre l’amplitude maximale et l’amplitude minimale de l’onde d’interférence résultante, comme le montre la formule suivante :

p étant le coefficient de réflexion défini comme

A = Onde réfléchie et R = Onde incidente

^{Figure 9 : Définition de p ou du coefficient de réflexion}

Toute désadaptation d’impédance sur une ligne de transmission provoque une réflexion partielle des signaux qui se propagent. La différence d’impédance détermine l’amplitude de la réflexion. La longueur d’une ligne désadaptée détermine les fréquences de signal les plus basses qui sont réfléchies par celle-ci. Le ROS est une mesure de la réflexion de ce signal.

L’affaiblissement de réflexion est également une mesure de réflexion comme le ROS, mais est généralement exprimé en dB. En utilisant le même coefficient de réflexion que ci-dessus, vous pouvez l’exprimer comme suit :

Affaiblissement de réflexion en dB = -20 log (p)

Vous pouvez mesurer l’affaiblissement de réflexion direct, qui est le plus courant pour les frontaux RF tels que les PA, ou l’affaiblissement de réflexion inverse, que vous pouvez utiliser pour les émetteurs-récepteurs RF.

Mesures de précision de modulation

L’erreur de phase et de fréquence (PFER) est une mesure courante pour les signaux GSM, GPRS et EGPRS. Le signal modulé étant entièrement en phase (GMSK), sans décalage d’amplitude, une méthode de mesure est nécessaire pour déterminer la qualité de cette phase et donc la qualité de la modulation. On mesure normalement la moyenne quadratique (RMS) et la phase de crête. L’erreur de phase RMS donne la moyenne RMS de l’erreur de phase sur toute une rafale, tandis que l’erreur de phase de pic donne la pire erreur de phase mesurée dans la rafale.

L’amplitude du vecteur d’erreur (EVM) est une mesure des performances du démodulateur en cas de dégradations. Le vecteur d’erreur pour un symbole reçu est défini dans le plan I/Q comme le vecteur entre un symbole reçu et l’emplacement idéal du symbole. Pour calculer l’EVM, on prend le rapport entre l’amplitude du vecteur d’erreur et l’amplitude du point de constellation attendu.

Le taux d’erreur de modulation (MER) est une mesure du rapport signal/bruit (SNR) d’un signal modulé numériquement.

Mesures CC

Le courant peut être mesuré sur différentes parties du frontal RF. Il peut être mesuré sur la tension d’alimentation de l’appareil. Il peut également être mesuré sur les voies accessoires des lignes numériques, V_ramp ou des lignes de contrôle de mode et de fréquence.

Le courant de fuite est souvent mesuré avec des dispositifs à semi-conducteurs comme les frontaux RF. La mesure du courant de fuite permet de déterminer l’isolation entre les broches d’un dispositif semi-conducteur. À l’aide d’une unité de source et mesure (SMU), vous pouvez mesurer le courant de fuite pour n’importe quelle broche donnée.

V_detect est une mesure de tension de la ligne de commande en sortie d’un PA. Ce V_detect émet un signal de contrôle pour la batterie de l’appareil afin d’indiquer la puissance nécessaire pour V_batt sur le PA.

^{Figure 10 : Voici une illustration de ce à quoi ressemble le PA d’un appareil mobile générique.}

Un PA dispose d’au moins deux entrées, l’entrée RF (1) et (2), en raison des grandes différences entre les bandes des appareils mobiles. Par exemple, le GSM peut fonctionner à 800 MHz et le PCS à 1,8 GHz. Cela nécessite une amplification distincte pour tenir compte des différences de fréquence. De même, les PA multimodes pour la prochaine génération d’appareils mobiles combinent souvent le GSM avec une autre norme comme WCDMA ou LTE. Il peut y avoir quatre entrées ou plus sur le PA. Dans ce cas, les modes sont décomposés en bande haute et bande basse pour les différentes fréquences et ont des entrées différentes selon les normes afin d’optimiser l’amplification.

V_batt représente la puissance fournie au PA par la batterie ou un simulateur de batterie.

V_ramp représente une ligne d’entrée de contrôle qui permet de contrôler le gain du PA. Elle est particulièrement importante pour les signaux GSM/GPRS/EDGE/EDGE+ en rafale où le profil du signal est important.

Selon la complexité du PA, elle peut contenir des lignes de contrôle de mode et de bande séparées pour le contrôle de puissance de commutation (Mode/Bande/SPI). Par exemple, le contrôle de mode peut passer d’un mode GSM à un mode EDGE. La bande s’adapte aux différentes bandes de fréquences dans lesquelles le PA peut fonctionner. Pour la prochaine génération de PA, la tendance est à l’utilisation de l’interface périphérique série (SPI) et, par la suite, de la MIPI (une interface série haute vitesse plus récente). SPI et MIPI utilisent une interface à commande numérique haute vitesse que vous pouvez intégrer via PMIC (Power Management IC), CPU et d’autres puces dans le téléphone portable.

À l’instar des entrées, il existe au moins deux sorties, la sortie RF (1) et (2), sur le PA actuel. Celles-ci sont destinées à des bandes de fréquences différentes. Pour les PA les plus récents, la tendance est à la multiplication des normes, des modes et des fréquences.

V_detect émet un signal de contrôle pour la batterie de l’appareil afin d’indiquer la puissance nécessaire pour V_batt sur le PA.

Lors de l’interfaçage avec le frontal RF pour la caractérisation et le test en production, vous utilisez généralement plusieurs appareils. Les sections suivantes décrivent les instruments les plus courants et leur interface avec le frontal RF.

^{Figure 11 : Cet ensemble d’instruments constitue la configuration de test traditionnelle d’un frontal RF.}

Les analyseurs de spectre sont très répandus dans les laboratoires ou installations de développement d’appareils RF. Ils offrent d’excellentes mesures de puissance pour les signaux inconnus et sont faciles à configurer pour capturer des signaux RF. Dans le cadre d’un test de frontaux RF, ils sont couramment utilisés pour la capture de signaux RF à haute fréquence, tels que les tests de parasites et d’harmoniques. Pour effectuer une mesure de septième ordre d’un appareil WLAN, il vous faut un analyseur capable de mesurer jusqu’à 40 GHz. L’analyseur ne disposant pas de filtres passe-bande natifs, il est courant d’ajouter un filtre externe à l’entrée de la porteuse primaire afin de disposer d’une gamme dynamique suffisante pour mesurer les harmoniques ou les parasites. Souvent, différents bancs de filtres sont utilisés pour les bandes cellulaires ou de réseaux sans fil pour WLAN, Bluetooth, ZigBee, etc.

L’analyseur de signaux vectoriels (VSA) est l’un des appareils les plus importants pour le test de frontaux RF. À l’instar d’un analyseur de spectre pour les mesures de puissance, il peut recueillir des informations sur la phase, ce qui est important pour les mesures de précision de la modulation. Outre cette capacité de mesure de la phase et de l’amplitude, il offre également une numérisation très rapide du signal RF (effectuée après la conversion par abaissement), d’où une capture dynamique des signaux. Ceci est préférable pour les technologies à spectre étalé telles que WCDMA ou WLAN. Une bande passante de 30 MHz peut être requise avec des informations continues sur la phase. Le VSA s’interface avec la sortie RF (1) et la sortie (2) du PA (voir la figure 10).

Un générateur de fonctions RF, également appelé générateur d’ondes continues (CW), fournit un signal RF précis à introduire dans le frontal RF. Ces générateurs sont couramment utilisés pour l’étalonnage du système ou combinés pour la génération multi-tons pour IMD et IP3 ou comme brouilleur de voies adjacentes.

Le générateur de signaux vectoriels (VSG) est le type de générateur le plus courant dans un laboratoire ou une installation de développement de frontaux RF. Il fournit non seulement une sortie de signal RF contrôlée pour la puissance et la fréquence, mais aussi un signal de sortie à phase contrôlée. Pour cela, on utilise généralement une architecture superhétérodyne ou de modulateur I/Q. Vous pouvez également utiliser le VSG pour l’étalonnage du système, la génération multi-tons et le brouillage de voies adjacentes. Cependant, plus important encore, il peut générer des signaux modulés dans le frontal RF. Ceci est essentiel pour tester la précision de la modulation du signal après son passage dans l’appareil. Le VSG s’interface avec l’entrée RF (1) et l’entrée (2) du PA (voir la figure 10).

L’analyseur de réseaux vectoriels (VNA) n’est pas aussi courant que d’autres instruments dans le laboratoire de frontaux RF. Cependant, il présente des caractéristiques importantes pour certaines mesures. Il est surtout utilisé pour les mesures de réflexion et de transmission telles que l’affaiblissement de réflexion, l’affaiblissement d’insertion et le ROS. Il offre une très bonne précision relative, ce qui est important pour les mesures de rapport ci-dessus. Parfois, des coupleurs externes sont utilisés avec un générateur d’ondes continues et un analyseur de spectre, mais n’offrent pas la même précision qu’un VNA.

Un commutateur RF peut être utile, en particulier lorsque vous essayez d’ajouter d’autres voies RF à l’appareil sans le coût supplémentaire de générateurs ou d’analyseurs plus onéreux. En raison des spécifications strictes des signaux RF, il est plus courant d’avoir des commutateurs électromécaniques lors du test d’un frontal RF. Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des semi-conducteurs, il sera possible de les remplacer par des commutateurs statiques, qui augmentent la durée de vie et la vitesse de commutation.

Un analyseur/générateur numérique haute vitesse (HSDIO) permet de contrôler les frontaux RF pour changer les modes (normes telles que CDMA ou LTE), les bandes de fréquence et autres réglages de l’appareil. Les appareils mobiles étant de plus en plus sophistiqués, des normes telles que MIPI sont adoptées pour fournir un protocole de communication commun entre toutes les puces. Un HSDIO peut fournir des commandes statiques simples ou des commandes série haute vitesse pour les protocoles MIPI et SPI. Cela devient de plus en plus nécessaire à mesure que les interfaces numériques passent à des interfaces série à plus haute vitesse par rapport aux interfaces numériques parallèles traditionnelles. Le HSDIO s’interface avec le port mode/bande/SPI du PA (voir la figure 10).

Un générateur de signaux arbitraires (AWG) contrôle le signal V_ramp d’un PA. De nombreux signaux RF sont transmis en rafale plutôt qu’en continu, il est donc important de générer le profil correct du signal. La ligne de contrôle V_ramp (comme le montre la figure 10) est interfacée avec l’AWG. V_ramp est responsable du profil de contrôle du gain d’un PA. Un AWG permet la synthèse entièrement contrôlée d’un signal analogique. Différents types de profils de rampe personnalisés peuvent être facilement obtenus avec un AWG de 100 Méch./s ou plus.

Un simulateur de batterie est destiné à la source d’alimentation principale du frontal RF. Dans le PA d’un appareil mobile, ce courant peut être supérieur ou égal à 3 ampères, selon la norme et la fréquence du signal qu’il amplifie. La réponse transitoire rapide de l’alimentation constitue une autre exigence importante. Elle garantit également des profils de puissance corrects pour le signal RF en rafale. V_batt, sur la figure 10, est généralement fourni par le simulateur de batterie, en particulier pour les signaux GSM ou similaires sensibles aux rafales.

Une unité de source et mesure (SMU) est une alimentation par batterie spécialisée et courante pour les frontaux RF. Elle se distingue d’une alimentation standard en offrant des capacités de relecture de l’ordre du nano-ampère ou d’une gamme de courant inférieure. Il peut également fonctionner dans quatre quadrants pour fournir une source ou une absorption de la puissance du signal. La SMU peut s’interfacer avec plusieurs lignes du frontal RF. Sur la figure 10, il peut s’agir de V_ramp, V_detect, V_batt et de ports mode/bande/SPI pour mesurer le courant et les performances de la ligne. Lors du test en production, la SMU peut être combinée avec le HSDIO dans un produit appelé PPMU (Per-Pin Power Measure Unit). Cet appareil présente les mêmes capacités qu’un instrument HSDIO typique, mais aussi des capacités de puissance et de mesure similaires à celles de la SMU. Il n’est généralement pas aussi précis qu’une SMU, mais peut avoir un nombre de voies beaucoup plus dense.

Le multimètre numérique est probablement l’un des instruments les plus courants dans un laboratoire. On le retrouve également dans les laboratoires de frontaux RF. Bien qu’il ne soit pas aussi critique qu’une SMU, il peut mesurer les chutes de tension sur les lignes ou les fuites de courant d’un grand nombre de lignes de contrôle et de surveillance identiques. Les mesures de courant et de tension d’un multimètre numérique peuvent être aussi précises que celles d’une SMU.

Un oscilloscope ou un numériseur est destiné aux mesures temporelles. Pour les frontaux RF, il s’agit d’un outil de dépannage utile, notamment grâce à sa fréquence d’échantillonnage élevée. La ligne V_detect de la figure 10 est mesurée à l’aide d’un numériseur en raison des variations rapides de ses valeurs.

Un wattmètre est important pour le frontal RF. La précision de la puissance RF évolue à partir de cet appareil en laboratoire. La précision de la puissance est généralement 10 fois supérieure, voire plus, à celle d’un analyseur de spectre ou d’un VSA. Il utilise un autre type d’architecture pour mesurer la puissance et, en raison de cette architecture, sa gamme de puissance est généralement limitée. Cependant, il est souvent utilisé comme référence pour l’étalonnage du système afin d’effectuer des mesures en dehors de sa gamme ou pour des mesures plus rapides. Les frontaux RF doivent être caractérisés directement ou indirectement à l’aide d’un wattmètre pour garantir un niveau de puissance de sortie correct.

Le « load-pull » n’est pas aussi courant que d’autres instruments dans le laboratoire de frontaux RF. Cependant, il s’agit d’un équipement important pour la simulation dans le monde réel. En général, l’impédance de l’antenne connectée via un PA varie en fonction de son environnement. Elle peut se trouver près d’une structure métallique ou appuyée contre un siège de voiture. Cela affecte l’impédance ajustée entre le frontal RF et l’antenne. Cela peut ensuite entraîner une augmentation du ROS, ce qui oblige le frontal RF à fournir plus de puissance pour compenser et donc à décharger la batterie plus rapidement. Un « load-pull » simule cette condition en ajustant l’impédance de l’entrée ou de la sortie RF. Le PA peut alors être conçu pour être plus puissant afin d’éviter un tirage excessif de la batterie.

Un amplificateur est souvent utilisé pour simuler les conditions de puissance plus élevée nécessaires aux tests de compression du frontal RF. La plupart des générateurs, que ce soit CW ou VSG, ont un niveau de puissance de sortie limité à +10 dBm. Pour simuler la puissance d’entrée la plus élevée d’un frontal RF, il faut souvent amplifier ce signal jusqu’à +18 ou +20 dBm. Le signal RF généré par le CW ou le VSG passe par l’amplificateur pour produire le gain approprié.

Maintenant que vous avez une meilleure compréhension des différentes mesures, composants et instruments utilisés pour le test des frontaux RF, vous pouvez examiner comment cela se présente lors de l’utilisation d’un système PXI.

^{Figure 12 : Ce système est configuré pour tester un frontal RF.}

Les produits suivants permettent de tester un frontal RF PXI de base :

• Contrôleur PXI : processeur multicœur embarqué pour des mesures parallèles ou composites rapides

• HSDIO : HSDIO pour tout signal de commande numérique ; peut fonctionner avec SPI, MIPI, I²C, commande numérique personnalisée et statique pour un maximum de 20 lignes

• AWG : générateur de signaux arbitraires avec résolution de 16 bits, scripts intégrés et déclenchement pour un contrôle précis de V_ramp

• Simulateur de batterie : alimentation spécifique conçue pour le test d’appareils mobiles RF ; réponse transitoire ultrarapide pour les signaux RF en rafale

• Générateur de signaux vectoriels RF : VSG d’une largeur de 100 MHz qui prend en charge les signaux cellulaires de 2 G à 4 G ainsi que les signaux de réseaux sans fil tels que WLAN

• Analyseur de signaux vectoriels RF : VSA d’une largeur de 50 MHz qui prend en charge les signaux cellulaires de 2 G à 4 G ainsi que les signaux de réseaux sans fil tels que WLAN

• Numériseur : numériseur haute résolution permettant de capturer le signal V_detect ou d’autres signaux transitoires rapides jusqu’à 43 MHz de bande passante

^{Figure 13 : Ce diagramme présente l’équipement utilisé dans une configuration standard.}

• Préamplificateur RF : préamplificateur/amplificateur programmable présentant un gain pouvant atteindre 50 dB ; capable d’augmenter la puissance de sortie du NI PXIe-5673E jusqu’à +21 dBm, ce qui est important pour les tests de compression de 1 dB d’un PA ; au-delà de +21 dBm, le recours à un amplificateur externe est possible

• Commutateur RF : un des différents commutateurs RF pour commuter les voies du générateur et de l’analyseur. La plupart des appareils prenant en charge plusieurs bandes, plusieurs chemins vers le frontal RF sont nécessaires. Au lieu de multiplier les générateurs et les analyseurs, vous pouvez automatiser un commutateur de haute qualité pour changer les entrées et les sorties.

^{Figure 14 : Un test plus spécifique utilise un tuner de source (source tuner) et un tuner de charge (load pull) pour tester le comportement non linéaire et les variations d’impédance d’entrée/de sortie.}

• VNA : VNA à deux ports permettant de mesurer l’affaiblissement d’insertion, l’affaiblissement de réflexion et le ROS du frontal RF (la Figure 14 présente une ligne en pointillés représentant la connexion du VNA)

• Source Tuner et Load Pull : instruments tiers distincts de sociétés telles que Maury Microwave et Focus Instruments

• Wattmètre : capteur de puissance autonome USB et compteur en une seule unité ; mesure d’impédance et étalonnage de système de haute précision

Utilisation du facteur de forme PXI pour une intégration étroite du déclenchement et du cadencement dans le test de frontaux RF

Le cadencement et le déclenchement nécessaires à la réalisation de différents tests constituent un aspect important du test de frontaux RF. Le déclenchement est essentiel pour tester un PA. Sans un contrôle rigoureux du déclenchement, l’appareil produit des résultats erronés en raison d’un mauvais alignement de la puissance, de V_ramp ou de la génération et de la capture de signaux RF.

Par exemple, observez à nouveau le PA de la figure 10. Pour tester cet appareil, vous devez contrôler et lire plusieurs lignes simultanément. L’alimentation doit être fournie au PA de la broche V_batt et, comme il simule un appareil alimenté par batterie, il s’agit d’une alimentation en rafale, qui est déclenchée lorsque le signal RF lui est envoyé. Vous devez également contrôler le gain du signal V_ramp, ce qui nécessite généralement un AWG pour créer la rampe correcte. Vous devez également contrôler le mode et la fréquence, même si le cadencement n’est pas nécessaire. Enfin, le signal d’entrée RF doit être émis en rafale avec une séquence de cadencement spécifique. Tout ceci est illustré à la figure 15.

^{Figure 15 : Diagramme de référence de déclenchement pour le test PA}

Étant donné que vous pouvez déclencher le PXI via son fond de panier à partir de n’importe quel module, vous pouvez partager la même référence de déclenchement pour tous les appareils mentionnés ci-dessus, ainsi que pour les appareils de capture uniquement tels que le VSA et le numériseur (voir la figure 16). Le VSA et le numériseur peuvent également référencer leur propre déclenchement en utilisant la fonctionnalité de déclenchement de puissance I/Q du NI PXIe-5663 pour capturer en fonction du niveau de puissance du signal RF. Les données bufférisées avant le déclenchement peuvent être configurées de manière à ce que le signal en question soit capturé avec la rampe montante, le profil et la rampe descendante du signal.

^{Figure 16 : Le fond de panier PXI montre la connectivité de déclenchement entre le VSG et le simulateur de batterie.}

Avantages en termes de temps de mesure avec PXI

PXI permet de gagner un temps considérable par rapport à l’instrumentation traditionnelle pour le test de frontaux RF. Le temps de test est réduit dans quatre domaines :

1. Les derniers processeurs prêts à l’emploi pour un traitement du signal des plus rapides
2. Technologie FPGA pour le traitement des signaux et les mesures en temps réel
3. Fond de panier PCI Express rapide pour le déplacement de données et la communication à faible latence avec le contrôleur hôte
4. Logiciel flexible pour une configuration et une communication optimisées du système

Les derniers processeurs prêts à l’emploi pour un traitement du signal des plus rapides

Comme pour toute autre application qui bénéficie d’un processeur plus rapide, le traitement des signaux pour les tests de PA en bénéficie également. Les signaux RF représentent souvent un défi en termes de temps de test, car leur traitement est plus intense que celui des signaux basse fréquence. Le signal provient d’une fréquence plus élevée via la conversion par abaissement et présente une bande plus large. Avec l’émergence de nouvelles technologies telles que LTE et 802.11 ac, les bandes passantes peuvent facilement dépasser 80 MHz. Les C A/N doivent donc échantillonner à 200 Méch./s ou plus. Une fois le signal numérisé, il doit être traité à partir de son format de bande de base (en supposant que la conversion numérique par abaissement de fréquence soit effectuée sur le signal IF) pour la précision de la modulation ou les mesures spectrales. Cela peut inclure la suppression du filtre de forme d’impulsion, le décodage des voies et la démodulation ou le formatage pour les mesures spectrales. Le traitement de 200 méga-échantillons de données est une tâche considérable.

Le traitement s’effectue le plus souvent à l’aide d’un processeur multicœur. Les systèmes de test PXI offrent un traitement multicœur avec leur contrôleur embarqué ou un PC standard utilisant le MXI distant. Les processeurs multicœurs sont apparus suite aux problèmes de génération de chaleur des processeurs à mesure que les fréquences d’horloge augmentaient. Sans un système de refroidissement plus sophistiqué à eau ou azote, les fréquences d’horloge du microprocesseur devaient être limitées. PXI tire parti des multiples cœurs en exécutant l’instrumentation en parallèle, en utilisant le multithreading et en effectuant des mesures composites.

Les tableaux ci-dessous montrent les différences de temps de test entre un processeur double cœur et un processeur quadruple cœur. Ces mesures concernent les signaux GSM et EDGE.

GSM/Edge