移動設(shè)備的FM測試 - 全文

　　FM逐漸成為一項標(biāo)配功能。與WiFi、GPS和3G蜂窩不同的是，早在20世紀(jì)30年代初Edwin Armstrong首先建議將FM用于語音和音樂廣播時，寬帶FM就已經(jīng)開始使用了。

　　在今天的手持設(shè)備中，F(xiàn)M主要用于收聽FM廣播。但是，如果采用FM傳輸，這些設(shè)備還能將存儲的數(shù)字音樂用廣播的方式發(fā)送到附近的FM接收機(jī)，例如汽車娛樂系統(tǒng)。當(dāng)然，現(xiàn)在FM很可能成為高端移動設(shè)備的功能之一。如何把寬帶FM信號測試做得足夠徹底、快捷，成本足夠低廉以使設(shè)備成本增加得最少并且保持較高的設(shè)備質(zhì)量和用戶滿意度，是移動設(shè)備制造商必須面對的問題。

　　缺乏測試標(biāo)準(zhǔn)

　　雖然業(yè)內(nèi)缺乏寬帶FM信號指標(biāo)的官方標(biāo)準(zhǔn)，但也存在一些共同點。例如，所有國家通常使用VHF無線電頻譜（通常為87.5~108.0MHz），但有的國家也使用另外的VHF頻帶。電臺帶寬通常為100kHz，“中心”頻率要么以100kHz的連續(xù)奇數(shù)倍（北美、南美、加勒比）或偶數(shù)倍（歐洲某些地區(qū)，亞洲和格陵蘭島）增加。對于單個頻道則基本一致（見圖1）。單聲道廣播（右聲道和左聲道合并）約占15kHz，立體聲廣播的導(dǎo)頻信號固定位于19kHz，立體聲聲道（左聲道和右聲道）范圍從23kHz到53kHz。RDS，即數(shù)字廣播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（57kHz），可用于傳輸窄帶數(shù)據(jù)信號，剩余的頻帶用于直接頻帶和其它副載波業(yè)務(wù)。

　　圖1 FM的典型頻道是100kHz，其頻譜劃分如圖所示

　　各國許可證簽發(fā)機(jī)構(gòu)制定發(fā)射信號的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度等特征指標(biāo)。事實上的接收標(biāo)準(zhǔn)已出現(xiàn)在常規(guī)設(shè)備中。例如，信噪比（SNR）或信納比［（信號+噪聲+失真）/（噪聲+失真），SINAD］可以得到最小輸入功率電平，如果低于該電平SNR或SINAD將低于26dB。RDS塊誤碼率（BLER）表示包含一個或多個不可糾正誤碼的數(shù)據(jù)塊占全部接收數(shù)據(jù)塊的百分?jǐn)?shù)，通常限于5%或更低?？偟膩碚f，并沒有規(guī)定設(shè)計和制造過程中需要測試的特性。相反，設(shè)計工程師可以較靈活地設(shè)置設(shè)計和制造的極限參數(shù)。因此，任何測試方法都需要覆蓋合理范圍的值以支持更寬的應(yīng)用范圍。

　　接收機(jī)設(shè)計特性的一致意見

　　高端FM芯片、模塊、參考設(shè)計和設(shè)備的設(shè)計工程師通常認(rèn)可11項接收機(jī)測試（見圖2）。除SNR、SINAD和BLER之外，還包括接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）、接收靈敏度、AM抑制、立體聲平衡、雜散響應(yīng)/鏡像抑制、總諧波失真（THD）、導(dǎo)頻抑制和三階截點（IP3）。

　　圖2 這11項測試已成為FM芯片、模塊、參考設(shè)計和設(shè)備設(shè)計階段的主要測試項

　　RSSI值

　　RSSI反映設(shè)備接收到平均功率的強(qiáng)度，它通常使用檢測器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量在設(shè)備中頻（IF）級或基帶的功率。實質(zhì)上，我們需要確定一個已知功率信號發(fā)送到設(shè)備所產(chǎn)生的RSSI值符合規(guī)定的范圍。從測試角度看，這需要一個已知頻率、調(diào)制和功率的信號源，再將設(shè)備的測量結(jié)果與信號源對比。

　　RDS靈敏度/塊誤碼率

　　這是一種盲算，即只通過接收機(jī)完成測量無需了解測試設(shè)備實際發(fā)送的數(shù)據(jù)。接收機(jī)使用RDS協(xié)議的編碼機(jī)制區(qū)別正確數(shù)據(jù)位和錯誤數(shù)據(jù)位并進(jìn)行校正。RDS靈敏度/塊誤碼率是具有一個或多個不可校正比特位的接收數(shù)據(jù)塊數(shù)與接收數(shù)據(jù)塊總數(shù)的比值。

　　該測試的指標(biāo)閾值典型值是5%，這決定了設(shè)備輸入端的接收功率電平，如果低于此電平那么BLER≥5%。這里，測試系統(tǒng)將根據(jù)RDS協(xié)議提供已知功率調(diào)制的FM信號，并且當(dāng)誤碼率高于指定閾值時設(shè)備上就會有顯示。

　　接收靈敏度、SNR、THD和SINAD

　　接收靈敏度通過輸入已知功率的FM信號進(jìn)行測量，同時跟蹤SNR（或SINAD）直至它低于某個閾值（SNR的閾值通常是26dB）。對于SNR，我們在設(shè)備音頻輸出端測量有用信號與帶內(nèi)噪聲的比值。某些濾波器，如A加權(quán)、C加權(quán)和ITUR 468（見圖3）等，可用于抓取的音頻數(shù)據(jù)中，以分析測試某些特定指標(biāo)。

　　圖3 在分析SNR時，可以使用某些濾波器并根據(jù)具體要求獲得結(jié)果

　　測量SINAD時需要考慮失真因素。類似于THD測量設(shè)備音頻輸出端帶內(nèi)諧波引起的失真，SINAD測量采用同樣的測試流程但使用不同的分析函數(shù)分析THD測試采集的數(shù)據(jù)。在THD和SINAD兩種情況下，測試儀提供FM信號和音頻信號（通常為1kHz）并采集設(shè)備音頻輸出用于后處理。

　　AM抑制

　　在AM抑制測試中，我們希望測量FM接收機(jī)對信號調(diào)幅的抑制能力。在衰落過程中，發(fā)射機(jī)失真和其它條件會使FM信號變?yōu)榉日{(diào)制。為了測試抑制調(diào)幅的性能，我們向設(shè)備提供具有已知AM調(diào)制（例如30%）的FM信號，因此設(shè)備接收的信號同時具有FM和AM特性。通過測量設(shè)備的音頻輸出電壓，并且去掉AM之后再測一次，我們就能測量輸出電平的比值，即抑制的度量。

　　立體聲平衡

　　立體聲平衡用于估計設(shè)備在左聲道和右聲道之間保持信號平衡的能力。進(jìn)行立體聲平衡測試時，我們先發(fā)送一個左、右聲道音頻電平相等的信號，然后分別測量左聲道和右聲道的音頻輸出電平。兩個聲道的音頻輸出功率電平的差就是不平衡的度量。

　　雜散響應(yīng)/鏡像抑制

　　在理想條件下，F(xiàn)M接收機(jī)僅響應(yīng)有用信號而且完全抑制鏡像信號和雜散信號。然而，鏡像信號或雜散會產(chǎn)生較小而且有限信號響應(yīng)。雜散響應(yīng)/鏡像抑制測量設(shè)備抑制鏡像頻率及其它雜散信號的能力。實際上，設(shè)備的音頻輸出僅用有用信號測量，然后有用信號和表示鏡像或雜散的信號同時輸入，測量音頻輸出的改變并與首次測試結(jié)果比較得到抑制比。

　　導(dǎo)頻抑制

　　立體聲信號（包含分立的左聲道和右聲道內(nèi)容）是基于19kHz導(dǎo)頻信號產(chǎn)生的。接收機(jī)一旦檢測到這個信號就會在23kHz～53kHz范圍來解調(diào)信號，而不是在單聲道信號頻段（30Hz～15kHz）。不管怎樣，導(dǎo)頻信號不應(yīng)在23kHz～53kHz頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生音頻信號。然而，導(dǎo)頻卻會產(chǎn)生一個很小的有限信號，所以必須讓它低于某個閾值。一種測試導(dǎo)頻抑制的方法是發(fā)送一個1kHz音頻的FM信號至設(shè)備并采集音頻輸出。分析此音頻輸出，1kHz音頻信號的功率與19kHz導(dǎo)頻信號的功率的比值即為抑制比。

　　三階截點-IP3

　　三階截點是失真的度量。IP3代表基頻（f1，有用信號）功率與3階互調(diào)產(chǎn)物（2f1-f2和2f2-f1）功率相等的點（虛擬點）。這里，配置設(shè)備進(jìn)行SNR或SINAD測量并輸入FM信號（f1）得到SNR或SINAD讀數(shù)。然后，輸入CW（未調(diào)制）信號（f2）至該設(shè)備并且f1和f2的功率從同等功率起點開始以相等步長增加直至達(dá)到靈敏度的臨界點。FM音頻的功率電平即為IP3截點。

　　發(fā)射機(jī)設(shè)計特性的一致意見

　　發(fā)射端需要進(jìn)行的測試更少（見圖4）。

　　圖4 上面列出的七項測試全面反映了FM發(fā)射的設(shè)計性能

　　這七項測試包括最大發(fā)射功率、頻率/調(diào)制率準(zhǔn)確度、BLER、發(fā)射頻譜、占用帶寬、SNR和THD。

　　最大發(fā)射功率

　　最大發(fā)射功率測試用于確認(rèn)設(shè)備產(chǎn)生的功率信號電平符合規(guī)定的最大閾值（通常從0～+5dBm）。在測試中，讓設(shè)備以最大RF功率電平發(fā)射。接收信號并測量其功率，然后與規(guī)定的最大值比較。

　　頻率/調(diào)制率準(zhǔn)確度

　　這里，讓設(shè)備在規(guī)定頻率上發(fā)送具有相等左聲道和右聲道音頻內(nèi)容的FM信號，接收此信號并解調(diào)，測量接收信號的頻率并與規(guī)定的發(fā)射頻率比較。此外，接收信號解調(diào)后得到音頻輸出并且在整個信號帶寬上平均得到中間頻率。假定發(fā)射的右聲道和左聲道音頻內(nèi)容相等，那么測量的載頻不應(yīng)有明顯差別。

　　RDS BLER值

　　該測試實質(zhì)上與接收端的測試相同，除了讓設(shè)備發(fā)送符合RDS協(xié)議的信號并且測試儀和分析軟件都應(yīng)跟蹤塊誤碼率。

　　發(fā)射頻譜

　　這里，讓設(shè)備以最大功率發(fā)送FM信號，然后接收此信號并在頻域分析以確認(rèn)此信號限制在頻道頻譜內(nèi)。該測試沒有限制最小帶寬，但是接收頻譜至少達(dá)500kHz或以上就夠了。

　　占用帶寬

　　結(jié)合發(fā)射頻譜，占用帶寬表示包含99%發(fā)射信號功率的帶寬。

　　SNR和THD

　　與接收測試類似，可以通過測試系統(tǒng)測量發(fā)射信號的SNR（包含或不含濾波器加權(quán)）。采用1kHz音頻信號調(diào)制的信號還可用于分析THD。

　　設(shè)計測試與制造測試

　　設(shè)計時需要進(jìn)行完整詳盡的測試，這時對設(shè)計好壞進(jìn)行驗證是首要目標(biāo)。完成設(shè)計驗證后，測試項目就可以縮減（見圖5）。這些測試只要能檢驗出產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中是否出了問題即可：

　　圖5a 在制造中，接收端的測試縮減至5項

　　圖5b 制造過程中的發(fā)射測試基本上沒有改變，因為所有這些測試項目將找到制造的缺陷

　　集成數(shù)字音頻接口（I2S）

　　在上文的測試描述中，假定設(shè)備輸出的是模擬音頻信號（RSSI除外）。雖然以前和現(xiàn)在模擬音頻信號都是主要的設(shè)備輸出信號類型，但隨著傳統(tǒng)音頻聽筒和耳機(jī)被藍(lán)牙耳機(jī)替代，I2S接口將越來越受歡迎。此外，如果最終產(chǎn)品采用處理器，那么I2S數(shù)據(jù)可以直接送至處理器進(jìn)行數(shù)字音頻處理，如加入環(huán)繞立體聲或者均衡參數(shù)等。

　　在測試應(yīng)用中，I2S總線提供準(zhǔn)確定義的接口，支持與測試設(shè)備之間傳輸“純凈”的數(shù)字信號。以這種方式，設(shè)備真實性能的測量不受加在模擬接口上的模擬損傷（例如噪聲或失真）的影響。

　　I2S總線由3條線路組成，分別是：

　　· 時鐘（SCK）

　　· 字選（WS）

　　· 數(shù)據(jù)（SD）

　　該總線是雙向的，用于將接收機(jī)（或發(fā)射機(jī)）設(shè)定為主（時鐘發(fā)生器）或從（時鐘接收器）。該時鐘頻率典型值為2.5MHz（周期為400ns）并且邏輯電平定義為VL《0.4V和VH》2.4V。如果使用較低的邏輯電壓，就用較低的電平。

　　盡管大多數(shù)情況下FM測試系統(tǒng)只需處理模擬音頻輸出，但是更完整的測試方案是既能單獨處理模擬或者I2S，又能同時處理兩者的測試儀。

　　苛刻的測試時間和測試成本

　　正如上文所述，了解測試項目和如何測試很重要，但最關(guān)鍵的是確保測試時間最短并且測試成本最低。根據(jù)上文的介紹，我們完全可以用信號發(fā)生器和頻譜分析儀進(jìn)行測試。而且，在時間允許的研發(fā)環(huán)境中，使用分立儀器就足夠了。

　　然而，制造環(huán)境下時間和成本都非常關(guān)鍵，因而需要使用流水線程度更高的方法。例如，包含信號發(fā)生和調(diào)整設(shè)備控制的測試系統(tǒng)必然能簡化處理復(fù)雜度并縮短處理時間（見圖6）。

　　圖6 圖中的測試方案使用計算機(jī)分析和調(diào)整設(shè)備控制，利用測試儀提供FM、CW和FM/AM輸出信號并用接口設(shè)備將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供計算機(jī)分析軟件使用

　　使用I2S信號的系統(tǒng)與使用模擬音頻輸出的系統(tǒng)很相似，區(qū)別在于前者的接口模塊能接收和生成I2S信號（見圖7）。

　　圖7 接口模塊能接收和生成I2S數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，無需將模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字而且消除了可能出現(xiàn)在模擬輸出信號中的模擬損傷的影響

　　如果測試儀能生成并混合多個信號，還能用各種音頻信號對RF信號進(jìn)行頻率調(diào)制，它就能組合一些設(shè)計和制造測試并得到多個測試結(jié)果。通過利用數(shù)字化的測試數(shù)據(jù)和使用高效的分析軟件，我們可以在幾秒鐘之內(nèi)評估測試并能消除設(shè)置或“讀”數(shù)據(jù)中的人為誤差。

　　Multicom測試系統(tǒng)實現(xiàn)FM測試

　　圖8 LitePoint公司FM測試解決方案

　　下面以LitePoint公司IQ2010型Multicom為例說明如何實現(xiàn)FM測試（圖8）。測試儀已內(nèi)建了能覆蓋FM測試頻譜的矢量信號分析（VSA）和矢量信號發(fā)生（VSG）。當(dāng)測試接收靈敏度時，IQ2010可產(chǎn)生具有以下特點的FM信號：1kHz音頻信號、94.3MHz載頻、22.5kHz最大頻偏、50us預(yù)加重、30Hz~15kHz頻段調(diào)制（例如單聲道模式）。

　　VSG FM信號輸入FM RX DUT，并且模擬音頻輸出送到音頻接口模塊。從該音頻信號生成一個.wav文件并通過USB接口傳至筆記本電腦。這里，LitePoint公司的音頻分析軟件能快速分析此.wav文件的信息并得到分析結(jié)果。音頻接口模塊還能接收來自DUT的I2S輸出。同樣，生成的.wav文件通過USB接口可以傳到筆記本電腦。