摘要:主流RFIC的高频率,高带宽,多射频端口的特点对现在的RF ATE系统构成了不小的挑战,以模块化架构为基础的RF ATE架构凭借丰富的射频端口资源、高效的并行测试构架、人性化的操作界面,以及先进的测试板为复杂RFIC提供了低成本测试解决方案。
关键字:RFIC;MIMO;12GWSGA;RF调试工具;测试板
1无线通信技术的发展趋势
无线通信的市场需求持续加速,通信技术的飞速发展也是日新月异。3G、Bluetooth、GPS、DTV 等新名词正在逐渐地改变我们的生活。新的传输方式,更高的数据传输率给我们带来更佳的用户体验。
移动通信作为大家最关心的话题,从全球范围来看,目前是一个从3G向4G的过渡阶段,国内的状况是多种标准2G,2.5G,3G共同存在和发展。我国自主知识产权的TDS-CDMA网络已经具备了相当的规模,并且全面升级到HSDPA阶段,能实际提供用户下行最高2.8Mbit/s的数据速率。放眼未来的4G网络,接入移动化、宽带化的业务需求越来越旺盛,用户对移动通信网络的速率要求也越来越高,多方视频会议、视频点播等业务需要的数据速率经常高达100 Mbit/s。MIMO和OFDM作为4G的标志性技术将会大幅度提高系统数据速率。
另外,高度整合的智能无线终端也是通信技术发展的一个趋势,先进的SOC、SIP技术的应用,使得Bluetooth、GPS、DTV、WLAN逐步集成为单芯片,整合到诸如手机这样的智能终端。
2RFIC的发展趋势
无线通信技术的进步必然会带来其核心部件-RFIC的发展。传统的RFIC 多指独立的分立器件,像功率放大器、低噪声放大器、混频器、射频开关,VCO等。而如今RFIC的小型化、高度集成化已成为主流,现在大多数RFIC都具备频率高、带宽高、射频端口数多等特点,它们大都集成了RF分立器件,体积功耗日趋减小。
2.1 RFIC发展趋势之一:频率高,带宽高
高的频率和带宽是决定信号高速传输的关键因素,目前高速无线传输的代表――超宽带无线技术UWB,其频率就高达10.6 GHz,带宽更是达到惊人的528 MHz。还有大家熟悉的WLAN-802.11n,信号传输速度达到600 Mbit/S,最高频率也有5.8 GHz,带宽达到40 MHz,这样的带宽比起上世纪90年代的300 kHz可以说一个质的飞跃。
2.2 RFIC发展趋势之二:射频端口数多
以手机RFIC为例,已经经历了从2G到3G、4G的发展,2G时代的Cell-phone RFIC,由于功能比较单一,制式多以GSM为主,其RFIC的端口数就相对较少,但是这个情况在3G、4G时代就发生了改变,多制式多频段手机的出现,WLAN、Bluetooth、GPS、DTV 的集成,以及4G时代MIMO系统的使用,这些种种因素都会使Cell-phone RFIC的射频端口数大大增加,甚至超过12个端口。
上面两张图就是多个射频端口的Cell-phone RFIC。
图1是知名射频芯片公司的多制式多频段的RFIC,兼容IS-95、CDMA2000、GSM、GPRS、EDGE、WCDMA等,Tx 4个射频端口,Rx 11个射频端口,总共15个端口。
图2是目前非常流行的某品牌手机使用的高集成度的RFIC,它集成了 WLAN802.11a,b,g 和Bluetooth 2.1+EDR。
3RFIC面临的测试挑战
主流RFIC的高频率,高带宽,多射频端口的特点对现在的RF ATE系统构成了不小的挑战。
首先,ATE系统必须具备至少6 GHz高频信号的发生以及分析的能力。
其次,ATE需要适用多种主流的移动通信标准比如GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、CDMAOne和802.11abg等, ATE的射频测量模块必须有能力对每个标准做出精确的测量,比如需要保证较小的误差向量幅度即EVMEVM在EDGE系统中相当重要,此外,射频测量模块必须具备40 MHz的调制带宽,这样才能测量高带宽的器件,比如应对802.11n,4G-LTE标准。
再次,面对多个射频端口的多频带或者MIMO结构的RFIC,需要ATE提供足够的射频资源。就拿MIMO系统来说,它利用多路径效应同时使用多路射频信号,这意味着无论是发射还是接收,每个路径在任何特定时间都处于“运行”状态,而非MIMO系统,像多频带手机在任何特定时间只有一路信号传输处于“运行”状态。因此,为了充分测试MIMO设备,ATE需要采用一种类似于MIMO系统本身的架构。未来主流的宽带无线器件大都采用4×4的MIMO,该器件将要求ATE拥有4个独立的发射器以及4个独立的接收器。比如干扰指标的测量,通常情况下,需要将一个有效信号外加一个或多个干扰信号同时注入被测器件DUT,以测定接收器在面对干扰、阻断或拥塞信号时侦测有效信号的能力。按照传统方法,这种多DUT测试是利用一个分配器完成的,该分配器同时将一个输入信号路由到多个DUT中。但是MIMO系统利用了多路径效应,所以这种方法还是不够有效。为了评估DUT接收器作为MIMO系统运行的能力,ATE需要将具有不同噪声、干扰以及信道特性的多个独立信号注入接收器中。这意味着仅使用一个分配器是不够的。如果需要进行4个DUT的并行测试,用于MIMO设备的ATE系统需要独立的矢量信号发生器VSG和矢量信号分析仪VSA,矢量网络分析仪VNA以及多个独立的数字转换器和任意波形发生器AWG。
另外,如今的无线设备变得越来越复杂,竞争压力日趋增大,利润率被压得很低。同时,测试越来越难,单位成本面临增大的压力。面对缩小的利润,制造商想尽一切办法来降低成本,这就包括降低测试设备以及测试的成本。这样对于更多功能、更高吞吐量和更多射频测试的ATE的需求越来越强烈。ATE的单个射频测试模块同时具备多路独立的VSG、VSA、VNA、AWG可以解决MIMO测试的问题,而具备更多的射频资源比如具备32个射频端口则可以进行多个DUT的同测,从来降低单个DUT的测试成本。
4领先的模块化结构RF ATE架构
4.1 射频测试模块
面对RFIC 测试所面临的挑战,RF SoC 测试系统――T2000强大的射频测试模块可以为目前主流的RFIC 提供高效低成本的测试解决方案。
其最大的特点是模块化结构,可以根据不同的DUT选配不同的测试模块,种类涵盖了DPS测试模块,数字测试模块,模拟测试模块,Jitter测试模块,以及射频测试模块。
射频测试模块-12GWSGA 是为多频带、MIMO及复杂的RFIC的测试开发的,每个模块有独立的四路测试通道,每路通道包含一个矢量信号发生器VSG,一个矢量信号分析仪VSA,及一个矢量网络分析仪VNA,并且通过高精度的电子开关复用成4个IO射频端口和4个O射频端口,整个模块共有32个射频端口,VSA最高测试频率为12 GHz, 测试带宽为40 MHz,最多可以插入4块12GWSGA 模块,可升级到128个射频端口。
12GWSGA 四路独立的测试通道可以同时发射和分析4路射频信号, 完全满足了802.11n 以及LTE MIMO芯片的测试,其高达32 个射频测试端口,也可以进行非MIMO的RFIC多同测,图3就是用12GWSGA进行多频段Cell-phone RFIC 4同测的连接图。图中的RFIC有6个射频端口,4同测需要ATE提供至少24个射频测试端口,12GWSGA多端口的特性可以轻松应对,从而不需要另外在测试板上加射频开关切换,在降低测试成本的同时,提高了测试精度和效率。
4.2 调试工具
开发芯片测试程序的过程主要分两个阶段:离线调试和在线调试。离线调试主要是指测试程序的编程工作,包括测试条件的设置和测试算法的编写。在线调试是指在测试程序完成,离线调试结束后,在ATE上实际测试芯片并调整测试条件参数的过程。在线调试是测试程序开发的重要组成部分,它占整个程序开发约70%的时间。对于RFIC测试程序的开发,在线调试的环境更是重要,传统的RFATE系统调试起来往往非常复杂,对芯片输入,输出的信号需要进行反复调整,而且需要外接的示波器,频谱分析仪协助调查,同时ATE的射频调试工具的界面不够友好也会给新入行的RF测试工程师带来一定的困难。这些因素都会延长RFIC在线调试的时间,降低调试的质量,给量产计划带来影响。
另外,其射频调试的工具也是非常方便和直观。在线调试的时候,可以借助波形设计工具生成RFIC所需要的调制波形,然后通过模块设置工具直接控制射频测试模块完成测试条件的更改,最后使用波形查看工具确认芯片输出的波形和频谱是不是和测试结果一致。
图4是T2000 提供的RF 调试工具。
a是波形生成工具。通过这个工具的使用,无需编写复杂的算法就可以轻松地生成测试所需要的调制波形,包括目前主流的通信标准,像WLAN 802.11abgn、GSM、CDMA2000、WCDMA、TDSCDMA等。
b是模块设置工具,界面类似通常的测试仪表,它可以直接控制射频测试模块,方便得完成诸如VSA的频率功率及信号类型的修改。
c是波形查看工具,它的功能和示波器,频谱仪类似,通过它的使用,可以无需借助外部的仪器仪表,就可以观察到芯片输出信号的时域和频域波形,以及眼图,星座图,smith图等。
这些工具的使用,可以把复杂的调试工作简单化,成倍地提高RFIC的在线调试效率。
5测试板方案
测试板作为RFIC测试的重要组成部分,它的好坏直接关系到芯片的测试结果和测试稳定性。通常ATE 系统的测试板是一块整体,同测的所有DUT都集中在一块板上,这样的测试板测试数字芯片或者模拟芯片没有问题,但进行RFIC测试的时候,往往射频信号的串扰会给测试结果带来不稳定。
该测试板和传统ATE完全不一样,其采用的是子母板的结构,整个测试板是由母板和子板组成,对于这样的架构,连接方式尤为重要,子板的数字和模拟信号是通过POGO Pin和母板相连,射频信号是使用高达32GHz的同轴电缆连接,该同轴电缆使用精密的PKZ56和SMP连接头,同时子板都是由金属屏蔽层Shieldcase包围,最大限度的减小同测时外界信号以及Site之间的干扰。对于整个测试机而言,只需配备一块母板,子板是根据每个测试的RFIC定制的,两同测使用两块子板,四同测使用四块子板。
这种测试板的优点是显而易见的:
首先,降低了测试成本。产品更换时,不需要重新购买母板,只需定制子板即可,这样无疑减小了设计的难度,在降低成本的同时缩短了测试板的开发周期。
其次,便于相关性检测。每个DUT一块子板都有信号测试点,方便量产前使用仪器检测射频特性,比如损耗,阻抗匹配等。同测性能评估时,也可以把不同Site 的子板互相更换,以检验每个site之间的差异。
最后,方便了量产时的保养维护。比如四同测时,一个Site发生故障,可将这个Site的子板取下单独检测维修,其他三个Site可以继续生产,大大节约了宝贵的量产时间。
6总结
RFIC的发展方向是高频率,高带宽和多射频端口,模块化结构RF ATE凭借丰富的射频端口资源、高效的并行测试构架、人性化的操作界面,以及先进的测试板为复杂RFIC提供了领先的低成本测试解决方案。
