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隨著無線數(shù)字通信的迅猛發(fā)展，對于集成電路設(shè)計(jì)和測試提出了更多的挑戰(zhàn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，為了保證系統(tǒng)中射頻和基帶芯片的協(xié)同工作能力和兼容性，需要對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的性能測試。然而，日益復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制技術(shù)常常給面對緊湊的項(xiàng)目期限的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來更多的壓力。所以，設(shè)計(jì)人員不僅要在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)的測試，還要盡快從測試結(jié)果中推斷出造成問題的可能原因。本文提出一種全自動化的掃描測試方案，可以對數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路兩個關(guān)鍵參數(shù)EVM（ErrorVector Magni rude）和ACPR（Adjacent Channel PowerRatio）進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測量，以便在第一時間找到設(shè)計(jì)中問題所在。
1 數(shù)字通信發(fā)射鏈路測試
對于數(shù)字通信系統(tǒng)測試來說，絕大多數(shù)參數(shù)指標(biāo)是在頻域完成的，這就需要通過控制頻譜分析儀和矢量信號分析儀進(jìn)行測量。其中測量數(shù)字調(diào)制的質(zhì)量對于保證數(shù)字通信系統(tǒng)正常工作和信息準(zhǔn)確傳遞有著重要的意義。數(shù)字通信系統(tǒng)的調(diào)制指標(biāo)主要有EVM，相位誤差，IQ不平衡度等。
EVM是指某一瞬時理想?yún)⒖夹盘柡捅粶y量信號矢量差值的模值。采用安捷倫矢量信號分析儀89600可以提供快速、高分辨率的頻譜測量、解調(diào)和時域分析，來獲得EVM的測量結(jié)果。
ACPR測量的是某一通信頻段主信號能量有多少泄漏到相鄰頻段。它也是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，過大的功率泄漏會引起相鄰頻段之間的相互干擾。通常，我們最關(guān)注的是主要頻段的信號功率和鄰近頻段功率的比值，通過控制頻譜分析儀測量獲得。
數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路掃描測試是指針對某個參數(shù)，如增益、頻點(diǎn)等的變化評估其對EVM和ACPR的影響。本文以發(fā)射鏈路增益自動功率控制掃描為例進(jìn)行闡述。APC（Automatic Power Control）自動功率控制掃描是對發(fā)射鏈路中功率放大器驅(qū)動和上變頻混頻器的增益進(jìn)行掃描，這些控制位在集成電路中通過特定的寄存器位來進(jìn)行設(shè)置，LabVIEW通過SPI和I2C總線以特定的時序訪問芯片上這些寄存器，實(shí)現(xiàn)讀寫控制功能，來改變發(fā)射鏈路增益，掃描測試框圖如圖1所示。
LabVIEW通過GPIB總線對頻譜分析儀進(jìn)行控制測量ACPR；使用ActiveX控件控制安捷倫89600矢量信號分析儀測量EVM參數(shù)。這個實(shí)時控制系統(tǒng)可以利用TCP／IP、GPIB協(xié)議功能來完成PC計(jì)算機(jī)和儀器間的雙向命令傳送。LabVIEW自動掃描程序前面板如圖2所示。
根據(jù)掃描測試操作順序面板分為兩個部分：左邊是從Excel表格讀人使發(fā)射鏈路功率線形衰減的控制寄存器值；右邊是對儀器參數(shù)進(jìn)行的自定義設(shè)置以保證更高的測量精度。所以，整個LabVIEW程序操作可以分為4部分：從Excel表格中讀取發(fā)射鏈路不同增益衰減情況下的寄存器值；將這些值通過SPI總線寫入芯片相應(yīng)的寄存器中改變發(fā)射鏈路增益（功率）；接著，自動調(diào)整儀器設(shè)置并從中讀取測量參數(shù)EVM和ACP；將測量數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時寫入指定的Excel文件并存儲以便后處理進(jìn)行分析。
Excel Read.vi實(shí)現(xiàn)從打開的Excel文件指定工作表的指定行、列中讀取寄存器預(yù)設(shè)值，并存入到LabVIEW的一個二維數(shù)據(jù)表中緩沖。這樣的好處是可以及時更正APC的預(yù)設(shè)值，使測試靈活。本設(shè)計(jì)中這個動作通過圖2中的“從Excel讀取APC數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行觸發(fā)，使用一個LabVIEW的事件處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。
SPI_ Write.vi和SPI_ Read.vi通過LabVIEW對PC計(jì)算機(jī)并行接口進(jìn)行編程，通過SPI三線控制完成和芯片之間的通訊。其中，并行接口控制是通過LabVIEW中的強(qiáng)大的I／O程序模塊為基本操作單元實(shí)現(xiàn)的。
2 發(fā)射鏈路EVM自動化掃描
在通過更改寄存器值完成發(fā)射鏈路功率配置后，就需要控制矢量信號分析儀89600調(diào)整儀器設(shè)置，并讀取掃描得到的EVM數(shù)據(jù)。LabVIEW完成對89600初始化后，為保證EVM自動測試精度需要對其做出如下配置，如圖3所示。
首先，要激活89600顯示頻譜圖的Trace B，如圖4所示。并命令其縱軸進(jìn)行自動調(diào)整以保證功率譜在儀器顯示的合適位置上。
接著，激活頻段功率測量模式（BandPower），按照前面板設(shè)定的“頻帶寬”參數(shù)，對頻段功率的左、右邊界頻率進(jìn)行設(shè)定。這時，LabVIEW就可以通過Band-PowerResult屬性節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確讀取載波的的功率。
頻段功率值對于調(diào)整儀器的Range參數(shù)和保證EVM精度有著至關(guān)重要的意義。Range參數(shù)調(diào)整的是儀器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter）的輸入信號范圍，其值若是過大必然導(dǎo)致輸入信號的嚴(yán)重失真而使EVM參數(shù)惡化；如果Range值太小則使EVM參數(shù)對于引入噪聲過于敏感，同樣導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測試結(jié)果。大量實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)Range參數(shù)值的設(shè)定比以上測量得到的頻段功率值大3 dB時，可以保證EVM的精確度。另外，由于LabVIEW編程中頻段功率單位是dBm，而Range參數(shù)單位是電壓峰值Vpk，所以在進(jìn)行自動Range調(diào)整時程序需要通過相應(yīng)算法進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，如圖3中第2行結(jié)尾的框圖所示。
在完成各種配置之后，就需要讀取EVM等相應(yīng)的測試結(jié)果。這通過臨時建立一個文本文件“TempTable.TXT”讀取89600中Trace D中的測量參數(shù)結(jié)果表格，并將其導(dǎo)入到LabVIEW中存儲為一個數(shù)組變量，要讀取測量參數(shù)只要指明參數(shù)所在的下標(biāo)并讀取參數(shù)即可，如圖3中最后一行框圖所示，下標(biāo)6，8，18分別指向參量參數(shù)EVM、相位誤差、相位誤差峰值。最后通過LabVIEW把數(shù)據(jù)寫入并存儲到到一個CSV數(shù)據(jù)文件中以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。
3 發(fā)射鏈路ACPR自動化掃描
測量ACPR之前也同樣需要對發(fā)射鏈路的功率進(jìn)行配置并且手動將頻譜儀調(diào)整到ACP測試模式下。但是不同的是，這個測量需要通過GPIB總線或TCP／IP協(xié)議使用SCPI指令通過VISA接口控制頻譜分析儀進(jìn)行，LabVIEW的框圖如圖5。
程序的最外面是一個While循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)用于選擇觸發(fā)哪種測試模式。在ACPR掃描測試模式下，_掃描通過For循環(huán)實(shí)現(xiàn)，次數(shù)由APC預(yù)定值表格的行數(shù)來確定。一個順序結(jié)構(gòu)被嵌套在For循環(huán)里實(shí)現(xiàn)分步驟操作控制，在第0，1幀通過更改芯片寄存器完成了發(fā)射鏈路的功率衰減配置，第2幀實(shí)現(xiàn)測量并存儲數(shù)據(jù)。
LabVIEW中實(shí)現(xiàn)儀器訪問是通過VISA接口實(shí)現(xiàn)的。在指明儀器的地址后，可以通過VISA的寫模塊發(fā)送SCPI指令，而通過讀模塊讀取儀器的反饋信息。
首先，要標(biāo)記載波的峰值功率，圖5中“DISP：WIND：TRAC：Y：RLEV 8”指令將頻譜儀的縱軸的參考功率設(shè)置為8 dBm，這樣可以將頻譜圖壓低在儀器顯示界面中以便與后面的操作：使標(biāo)記Marker1找到頻譜中的峰值，并將其讀取出來。
接著，還需要同樣的命令將縱軸參考功率設(shè)置為-6 dBm，因?yàn)樵谡麄€掃描的過程中，發(fā)射鏈路的功率由0 dB衰減到-76 dB，在衰減很大的情況下，載波信號幅度已經(jīng)很小，甚至可能被噪底所淹沒，這就需要將整個儀器的頻譜再次提高，以保證儀器ACPR計(jì)算的準(zhǔn)確性。
最后，通過“FETC：ACP？”指令將儀器測量結(jié)果存儲到LabVIEW的數(shù)組里面，同樣通過下標(biāo)指向要讀取的參數(shù)并將其存儲的CSV數(shù)據(jù)文件當(dāng)中。
4 測試結(jié)果與分析
通過測試基于RDA8206的TD-SCDMA通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路EVM和ACPR驗(yàn)證了所提出方法的正確性。實(shí)測掃描結(jié)果如圖6，圖7所示。
實(shí)例測試表明在發(fā)射鏈路功率衰減到-50 dB時仍能保證調(diào)制質(zhì)量，所以EVM掃描可以直觀的看出數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路調(diào)制質(zhì)量惡化情況分析造成問題的原因。
ACPR掃描可以用于分析載波信號功率泄漏相鄰頻段所造成的干擾狀況。本文提出的方法在保證測量精度的條件下，相對手動操作可以將測試效率提高60％，充分發(fā)揮了自動化儀器儀表測試的優(yōu)勢。
隨著無線數(shù)字通信的迅猛發(fā)展，對于集成電路設(shè)計(jì)和測試提出了更多的挑戰(zhàn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，為了保證系統(tǒng)中射頻和基帶芯片的協(xié)同工作能力和兼容性，需要對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的性能測試。然而，日益復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制技術(shù)常常給面對緊湊的項(xiàng)目期限的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來更多的壓力。所以，設(shè)計(jì)人員不僅要在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)的測試，還要盡快從測試結(jié)果中推斷出造成問題的可能原因。本文提出一種全自動化的掃描測試方案，可以對數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路兩個關(guān)鍵參數(shù)EVM（ErrorVector Magni rude）和ACPR（Adjacent Channel PowerRatio）進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測量，以便在第一時間找到設(shè)計(jì)中問題所在。
1 數(shù)字通信發(fā)射鏈路測試
對于數(shù)字通信系統(tǒng)測試來說，絕大多數(shù)參數(shù)指標(biāo)是在頻域完成的，這就需要通過控制頻譜分析儀和矢量信號分析儀進(jìn)行測量。其中測量數(shù)字調(diào)制的質(zhì)量對于保證數(shù)字通信系統(tǒng)正常工作和信息準(zhǔn)確傳遞有著重要的意義。數(shù)字通信系統(tǒng)的調(diào)制指標(biāo)主要有EVM，相位誤差，IQ不平衡度等。
EVM是指某一瞬時理想?yún)⒖夹盘柡捅粶y量信號矢量差值的模值。采用安捷倫矢量信號分析儀89600可以提供快速、高分辨率的頻譜測量、解調(diào)和時域分析，來獲得EVM的測量結(jié)果。
ACPR測量的是某一通信頻段主信號能量有多少泄漏到相鄰頻段。它也是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，過大的功率泄漏會引起相鄰頻段之間的相互干擾。通常，我們最關(guān)注的是主要頻段的信號功率和鄰近頻段功率的比值，通過控制頻譜分析儀測量獲得。
數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路掃描測試是指針對某個參數(shù)，如增益、頻點(diǎn)等的變化評估其對EVM和ACPR的影響。本文以發(fā)射鏈路增益自動功率控制掃描為例進(jìn)行闡述。APC（Automatic Power Control）自動功率控制掃描是對發(fā)射鏈路中功率放大器驅(qū)動和上變頻混頻器的增益進(jìn)行掃描，這些控制位在集成電路中通過特定的寄存器位來進(jìn)行設(shè)置，LabVIEW通過SPI和I2C總線以特定的時序訪問芯片上這些寄存器，實(shí)現(xiàn)讀寫控制功能，來改變發(fā)射鏈路增益，掃描測試框圖如圖1所示。
LabVIEW通過GPIB總線對頻譜分析儀進(jìn)行控制測量ACPR；使用ActiveX控件控制安捷倫89600矢量信號分析儀測量EVM參數(shù)。這個實(shí)時控制系統(tǒng)可以利用TCP／IP、GPIB協(xié)議功能來完成PC計(jì)算機(jī)和儀器間的雙向命令傳送。LabVIEW自動掃描程序前面板如圖2所示。
根據(jù)掃描測試操作順序面板分為兩個部分：左邊是從Excel表格讀人使發(fā)射鏈路功率線形衰減的控制寄存器值；右邊是對儀器參數(shù)進(jìn)行的自定義設(shè)置以保證更高的測量精度。所以，整個LabVIEW程序操作可以分為4部分：從Excel表格中讀取發(fā)射鏈路不同增益衰減情況下的寄存器值；將這些值通過SPI總線寫入芯片相應(yīng)的寄存器中改變發(fā)射鏈路增益（功率）；接著，自動調(diào)整儀器設(shè)置并從中讀取測量參數(shù)EVM和ACP；將測量數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時寫入指定的Excel文件并存儲以便后處理進(jìn)行分析。
Excel Read.vi實(shí)現(xiàn)從打開的Excel文件指定工作表的指定行、列中讀取寄存器預(yù)設(shè)值，并存入到LabVIEW的一個二維數(shù)據(jù)表中緩沖。這樣的好處是可以及時更正APC的預(yù)設(shè)值，使測試靈活。本設(shè)計(jì)中這個動作通過圖2中的“從Excel讀取APC數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行觸發(fā)，使用一個LabVIEW的事件處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。
SPI_ Write.vi和SPI_ Read.vi通過LabVIEW對PC計(jì)算機(jī)并行接口進(jìn)行編程，通過SPI三線控制完成和芯片之間的通訊。其中，并行接口控制是通過LabVIEW中的強(qiáng)大的I／O程序模塊為基本操作單元實(shí)現(xiàn)的。
2 發(fā)射鏈路EVM自動化掃描
在通過更改寄存器值完成發(fā)射鏈路功率配置后，就需要控制矢量信號分析儀89600調(diào)整儀器設(shè)置，并讀取掃描得到的EVM數(shù)據(jù)。LabVIEW完成對89600初始化后，為保證EVM自動測試精度需要對其做出如下配置，如圖3所示。
首先，要激活89600顯示頻譜圖的Trace B，如圖4所示。并命令其縱軸進(jìn)行自動調(diào)整以保證功率譜在儀器顯示的合適位置上。
接著，激活頻段功率測量模式（BandPower），按照前面板設(shè)定的“頻帶寬”參數(shù)，對頻段功率的左、右邊界頻率進(jìn)行設(shè)定。這時，LabVIEW就可以通過Band-PowerResult屬性節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確讀取載波的的功率。
頻段功率值對于調(diào)整儀器的Range參數(shù)和保證EVM精度有著至關(guān)重要的意義。Range參數(shù)調(diào)整的是儀器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter）的輸入信號范圍，其值若是過大必然導(dǎo)致輸入信號的嚴(yán)重失真而使EVM參數(shù)惡化；如果Range值太小則使EVM參數(shù)對于引入噪聲過于敏感，同樣導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測試結(jié)果。大量實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)Range參數(shù)值的設(shè)定比以上測量得到的頻段功率值大3 dB時，可以保證EVM的精確度。另外，由于LabVIEW編程中頻段功率單位是dBm，而Range參數(shù)單位是電壓峰值Vpk，所以在進(jìn)行自動Range調(diào)整時程序需要通過相應(yīng)算法進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，如圖3中第2行結(jié)尾的框圖所示。
在完成各種配置之后，就需要讀取EVM等相應(yīng)的測試結(jié)果。這通過臨時建立一個文本文件“TempTable.TXT”讀取89600中Trace D中的測量參數(shù)結(jié)果表格，并將其導(dǎo)入到LabVIEW中存儲為一個數(shù)組變量，要讀取測量參數(shù)只要指明參數(shù)所在的下標(biāo)并讀取參數(shù)即可，如圖3中最后一行框圖所示，下標(biāo)6，8，18分別指向參量參數(shù)EVM、相位誤差、相位誤差峰值。最后通過LabVIEW把數(shù)據(jù)寫入并存儲到到一個CSV數(shù)據(jù)文件中以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。
3 發(fā)射鏈路ACPR自動化掃描
測量ACPR之前也同樣需要對發(fā)射鏈路的功率進(jìn)行配置并且手動將頻譜儀調(diào)整到ACP測試模式下。但是不同的是，這個測量需要通過GPIB總線或TCP／IP協(xié)議使用SCPI指令通過VISA接口控制頻譜分析儀進(jìn)行，LabVIEW的框圖如圖5。
程序的最外面是一個While循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)用于選擇觸發(fā)哪種測試模式。在ACPR掃描測試模式下，_掃描通過For循環(huán)實(shí)現(xiàn)，次數(shù)由APC預(yù)定值表格的行數(shù)來確定。一個順序結(jié)構(gòu)被嵌套在For循環(huán)里實(shí)現(xiàn)分步驟操作控制，在第0，1幀通過更改芯片寄存器完成了發(fā)射鏈路的功率衰減配置，第2幀實(shí)現(xiàn)測量并存儲數(shù)據(jù)。
LabVIEW中實(shí)現(xiàn)儀器訪問是通過VISA接口實(shí)現(xiàn)的。在指明儀器的地址后，可以通過VISA的寫模塊發(fā)送SCPI指令，而通過讀模塊讀取儀器的反饋信息。
首先，要標(biāo)記載波的峰值功率，圖5中“DISP：WIND：TRAC：Y：RLEV 8”指令將頻譜儀的縱軸的參考功率設(shè)置為8 dBm，這樣可以將頻譜圖壓低在儀器顯示界面中以便與后面的操作：使標(biāo)記Marker1找到頻譜中的峰值，并將其讀取出來。
接著，還需要同樣的命令將縱軸參考功率設(shè)置為-6 dBm，因?yàn)樵谡麄€掃描的過程中，發(fā)射鏈路的功率由0 dB衰減到-76 dB，在衰減很大的情況下，載波信號幅度已經(jīng)很小，甚至可能被噪底所淹沒，這就需要將整個儀器的頻譜再次提高，以保證儀器ACPR計(jì)算的準(zhǔn)確性。
最后，通過“FETC：ACP？”指令將儀器測量結(jié)果存儲到LabVIEW的數(shù)組里面，同樣通過下標(biāo)指向要讀取的參數(shù)并將其存儲的CSV數(shù)據(jù)文件當(dāng)中。
4 測試結(jié)果與分析
通過測試基于RDA8206的TD-SCDMA通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路EVM和ACPR驗(yàn)證了所提出方法的正確性。實(shí)測掃描結(jié)果如圖6，圖7所示。
實(shí)例測試表明在發(fā)射鏈路功率衰減到-50 dB時仍能保證調(diào)制質(zhì)量，所以EVM掃描可以直觀的看出數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路調(diào)制質(zhì)量惡化情況分析造成問題的原因。
ACPR掃描可以用于分析載波信號功率泄漏相鄰頻段所造成的干擾狀況。本文提出的方法在保證測量精度的條件下，相對手動操作可以將測試效率提高60％，充分發(fā)揮了自動化儀器儀表測試的優(yōu)勢。
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