汽車射頻接收器靈敏度平臺搭建和測量

作者簡介： 居大鵬，集成電路工程碩士，美國管理技術(shù)大學(xué)工商管理博士在讀，負(fù)責(zé)智能汽車門禁解決方案芯片應(yīng)用的技術(shù)支持。E-mail：david.ju@nxp.com。

0   引言

靈敏度（sensitivity）是衡量接收機(jī)檢測發(fā)射器發(fā)出的無線信號有多靈敏，可以成功解碼或者接收到最小電磁能量，它的單位是dBm，計算公式sensitivity ＝10×log (power)， 例如接收到的最小信號功率是0.000 000 000 01 mW，那么靈敏度就是-110 dBm。靈敏度是汽車電子射頻接收模塊的重要的性能參數(shù)，關(guān)系到接收PKE/RKE 鑰匙和TPMS 模塊的最大接收距離和接收微弱信號的能力，是射頻接收模塊性能重要的考量指標(biāo)。因此了解在研發(fā)和量產(chǎn)時如何評估和測量靈敏度就顯得尤為重要，汽車射頻接收模塊靈敏度的高低直接關(guān)系到終端用戶的用車體驗(yàn)。

1   測試標(biāo)準(zhǔn)和靈敏度參數(shù)

本文的靈敏度測量是參考針對短距離的工作頻率在（25 ~1 000）MHz 范圍射頻的歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETSI EN300 220-1 來實(shí)施的， 靈敏度的接收比特誤碼率（Bit Error Ratio） 以10-3 為衡量標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出當(dāng)射頻信號發(fā)生器配置在一個最小的信號功率下，通過檢查在10-3 的比特誤碼率（Bit Error Ratio）下接收到的幀的錯誤率Frame Error Ratio（FER）是多少，例如發(fā)射器發(fā)的數(shù)據(jù)的前導(dǎo)頭（喚醒和同步幀）是16 bit，數(shù)據(jù)（payload）是128 bit，那么得到幀錯誤率如下：

FER = (16 + 128) × 10?3 = 14. 4%

射頻接收芯片數(shù)據(jù)手冊上的靈敏度的參數(shù)正是基于在一定的幀錯誤率（FER)、FSK/ASK 不同的解調(diào)方式、不同的解碼方式、不同的數(shù)據(jù)通信率、頻偏和帶寬（Channel filter BW）等條件下保證的最低信號接收靈敏度，如表1 所示。

表1 NCK2913射頻接收靈敏度性能參數(shù)^[1-3]

脫離了一定的測試條件，測試得到的靈敏度意義就不大。

2   測試硬件和軟件的建立以及測試過程和優(yōu)化方法

2.1 手動靈敏度測量的硬件、軟件以及測試設(shè)備和工具

1）1 臺射頻信號發(fā)生器，可以發(fā)射射頻接收模塊需要的頻率、FSK/ASK 調(diào)制、數(shù)據(jù)率等參數(shù)；測試315/434 MHz 的話，可以用例如R&S SMJ100A。

2）1 塊設(shè)計好（匹配好射頻天線阻抗）的demo board 或者射頻模塊，將demo board 的射頻芯片燒錄好固件，且demo board 留有天線SMA cable 接口或者測試點(diǎn)。

3）1 臺安裝Windows 7/Windows 10 操作系統(tǒng)的電腦，如果是測試?yán)鏝XP 射頻芯片NCK2913 demoboard 靈敏度，可以預(yù)先安裝NXP IREC 智能評估配置上位機(jī)工具；如果是零部件供應(yīng)商自己開發(fā)好的硬件射頻模塊，需要事先開發(fā)好可以上電配置使模塊工作的軟件^[4-5]。

4）FTDI 5 V 數(shù)據(jù)線，可以通過USB 轉(zhuǎn)UART 接口和IREC 配置工具控制例如NCK2913 demo board 工作在例如連續(xù)接收模式。

5）低損耗的射頻SMA 適配器和線纜：連接信號發(fā)生器和demo 板。

2.2 手動靈敏度測量的軟件、硬件和設(shè)備搭建（如圖1）

按照圖1 的搭建方法，將射頻接收模塊（例如NCK2913 demo）USB 插到電腦端，連接信號發(fā)生器的SMA 母頭到NCK2913 demo SMA 公頭，打開信號發(fā)生器準(zhǔn)備配置信號發(fā)生器，打開PC IREC 上位機(jī)配置工具準(zhǔn)備配置NCK2913 射頻參數(shù)，NCK2913 芯片已經(jīng)事先燒錄好最新版本的固件，IREC 配置工具需要事先安裝。如果是客戶自己開發(fā)好的射頻接收模塊，需要通過LIN 或者UART 串口連接到電腦做數(shù)據(jù)接收。

圖1 手動靈敏度測量軟硬件平臺搭建

2.3 配置NCK2913 demo的上位機(jī)IREC和設(shè)置信號發(fā)生器射頻參數(shù)

通常會依據(jù)汽車廠商具體平臺項目PKE/RKE/TPMS 的實(shí)際應(yīng)用， 按照車廠制定好的PKE/RKE/TPMS 規(guī)格書配置射頻模塊的接收參數(shù)，本文舉配置NCK2913 demo 為例?；驹瓌t是確保射頻信號發(fā)生器參數(shù)的設(shè)置和射頻接收模塊接收的參數(shù)的設(shè)置一一對應(yīng)。例如：前導(dǎo)頭（Run-in pattern）或者喚醒頭(wake up pattern)、同步幀(preamble/FSYNC)、數(shù)據(jù)幀（Payload）；如果射頻接收模塊（例如NCK2913）在比較高的發(fā)射功率下接收不到信號發(fā)生器手動觸發(fā)發(fā)出的數(shù)據(jù)時，就要仔細(xì)檢查是不是在編碼方式，數(shù)據(jù)格式等設(shè)置不正確。事先我們可以使用一個參考的TX 發(fā)射機(jī)檢查待測的接收模塊（DUT）接收功能是否正常，如圖2 作為發(fā)送，圖3 作為接收。從圖3 接收到的數(shù)據(jù)看，可以知道NCK2913 RX 接收數(shù)據(jù)正常。

圖2 NCK2983 TX IREC上位機(jī)配置工具設(shè)置

圖3 NCK2913 RX IREC上位機(jī)配置工具設(shè)置和數(shù)據(jù)接收

NCK2983 TX demo

發(fā)送數(shù)據(jù)：112233445566778899aabbccddeeff，包的數(shù)量：10

NCK2913 RX demo

接收數(shù)據(jù)：112233445566778899abbccddeeff，包的數(shù)量：10

配置NCK2913 demo 的上位機(jī)IREC 和設(shè)置信號發(fā)生器射頻參數(shù)做靈敏度測試的例子如圖4、圖5 所示。

圖4 配置射頻信號發(fā)生器參數(shù)

圖5 NCK2913 IREC pc上位機(jī)軟件射頻參數(shù)配置

2.4 手動測量靈敏度操作流程

手動測量主要針對研發(fā)階段少量的樣品測試，需要用手去觸發(fā)（execute trigger/single）執(zhí)行單次發(fā)送，例如發(fā)送100 包數(shù)據(jù)，就要按壓100 次，每次可以統(tǒng)計接收模塊接收到的幀的錯誤率Frame Error Ratio（FER）是否大于之前計算的臨界的FER，如果大于這個FER，那么將上一個TX power 功率值作為該模塊的靈敏度，圖6 是實(shí)驗(yàn)室手動測試的操作流程。

圖6 手動靈敏度測量流程

2.5 產(chǎn)線自動化設(shè)備自動測試靈敏度

這里簡單介紹一個測試框架，如圖7，原理和手動測量靈敏度類似，但需要借助自動化的測試編程設(shè)備對待測接收器和射頻信號發(fā)生器（發(fā)射器）進(jìn)行控制，自動化的測試設(shè)備（上位測試設(shè)備）需要借助串口或者主機(jī)控制器接口完成對發(fā)射器（下位測試設(shè)備）和接收器（待測設(shè)備DUT）的同步，執(zhí)行報文的發(fā)送和接收。在生產(chǎn)線上可能該自動化測試需要通過非傳導(dǎo)的方式，即在屏蔽的腔體里通過天線輻射的方式進(jìn)行收發(fā)測試，測試結(jié)束時，上位測試設(shè)備會將接收器（待測設(shè)備）收到的數(shù)據(jù)（bits）和發(fā)射器（下位測試設(shè)備）發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過在設(shè)定好的發(fā)射功率下計算FER 來判斷該靈敏度是否滿足要求。

圖7 產(chǎn)線自動化靈敏度測量框架圖

2.6 接收靈敏度的優(yōu)化方法

射頻接收靈敏度的性能除了和芯片本身的內(nèi)部射頻電路設(shè)計相關(guān)外，外部的天線設(shè)計和天線匹配也會影響靈敏度。射頻天線的設(shè)計需要遵循天線的設(shè)計原則同時也需要進(jìn)行一定的仿真；在例如315/434 MHz頻點(diǎn)下，天線匹配通常需要借助網(wǎng)絡(luò)分析儀器用匹配網(wǎng)絡(luò)將輸入阻抗和輸出阻抗分別匹配到50 歐姆；除了天線阻抗匹配，對接收器的射頻參數(shù)配置和優(yōu)化也很重要，其中有1 個重要的參數(shù)就是通道濾波（channel filter），又叫信號帶寬（signal bandwidth）選擇和設(shè)置；這項參數(shù)的設(shè)置很重要，選擇過大的通道濾波會導(dǎo)致最大1%/ 最大3 dBm 的損失，選擇過小的通道濾波也會導(dǎo)致較差的接收靈敏度或者數(shù)據(jù)丟幀。在設(shè)計的時候按照下面的公式計算信號帶寬。

中心載波頻率的偏差來自于發(fā)射器和接收器的晶振的不準(zhǔn)確，以10-6 計算

frequency deviation（Δ f）：發(fā)射器頻偏

data rate（fdat）：數(shù)據(jù)通信速率

frequency deviation’s tolerance（δf）：頻偏的容差

data rate’s tolerance（δfdat）：數(shù)據(jù)通信速率的容差

max CFO[kHz]：Maximum Center Frequency Offset，最大中心頻率偏差

3   結(jié)束語

本文基于NXP 汽車多通道射頻接收器實(shí)施了靈敏度的測量，詳細(xì)展示了如何搭建靈敏度的整個測試裝置，也介紹了如何設(shè)置硬件和軟件，包括信號發(fā)生器、NCK2913對應(yīng)的電腦上位機(jī)IREC 軟件配置；以及通過流程圖的方式闡述如何在要求的一定幀的錯誤率條件下測量和得到接收器的靈敏度。在產(chǎn)線自動化設(shè)備測試靈敏度上介紹得較簡單，后續(xù)可以在此基礎(chǔ)上有更加深入的研究。最后也對設(shè)計過程中經(jīng)常遇到的接收靈敏度的優(yōu)化方法和經(jīng)常容易被忽視的參數(shù)優(yōu)化做了一些介紹。希望射頻靈敏度的測量方法和設(shè)計思路能夠?qū)氖缕囯娮由漕l模塊設(shè)計工程師和測量工程師的實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義，能夠幫助射頻工程師進(jìn)一步了解射頻模塊的靈敏度評估方法。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）