移動(dòng)設(shè)備的FM測(cè)試方案

FM逐漸成為一項(xiàng)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(yǔ)音和音樂(lè)廣播時(shí)，寬帶FM就已經(jīng)開(kāi)始使用了。

在今天的手持設(shè)備中，F(xiàn)M主要用于收聽(tīng)FM廣播。但是，如果采用FM傳輸，這些設(shè)備還能將存儲(chǔ)的數(shù)字音樂(lè)用廣播的方式發(fā)送到附近的FM接收機(jī)，例如汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)。當(dāng)然，現(xiàn)在FM很可能成為高端移動(dòng)設(shè)備的功能之一。如何把寬帶FM信號(hào)測(cè)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(hù)滿(mǎn)意度，是移動(dòng)設(shè)備制造商必須面對(duì)的問(wèn)題。

缺乏測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

雖然業(yè)內(nèi)缺乏寬帶FM信號(hào)指標(biāo)的官方標(biāo)準(zhǔn)，但也存在一些共同點(diǎn)。例如，所有國(guó)家通常使用VHF無(wú)線(xiàn)電頻譜(通常為87.5~108.0MHz)，但有的國(guó)家也使用另外的VHF頻帶。電臺(tái)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(duì)于單個(gè)頻道則基本一致(見(jiàn)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(hào)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(hào)，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(guó)許可證簽發(fā)機(jī)構(gòu)制定發(fā)射信號(hào)的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度等特征指標(biāo)。事實(shí)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(hào)+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(gè)或多個(gè)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?lái)說(shuō)，并沒(méi)有規(guī)定設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中需要測(cè)試的特性。相反，設(shè)計(jì)工程師可以較靈活地設(shè)置設(shè)計(jì)和制造的極限參數(shù)。因此，任何測(cè)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(jì)特性的一致意見(jiàn)

高端FM芯片、模塊、參考設(shè)計(jì)和設(shè)備的設(shè)計(jì)工程師通常認(rèn)可11項(xiàng)接收機(jī)測(cè)試(見(jiàn)圖2)。除SNR、SINAD和BLER之外，還包括接收信號(hào)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(diǎn)(IP3)。

圖2 這11項(xiàng)測(cè)試已成為FM芯片、模塊、參考設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)階段的主要測(cè)試項(xiàng)

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(cè)器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量在設(shè)備中頻(IF)級(jí)或基帶的功率。實(shí)質(zhì)上，我們需要確定一個(gè)已知功率信號(hào)發(fā)送到設(shè)備所產(chǎn)生的RSSI值符合規(guī)定的范圍。從測(cè)試角度看，這需要一個(gè)已知頻率、調(diào)制和功率的信號(hào)源，再將設(shè)備的測(cè)量結(jié)果與信號(hào)源對(duì)比。

RDS靈敏度/塊誤碼率

這是一種盲算，即只通過(guò)接收機(jī)完成測(cè)量無(wú)需了解測(cè)試設(shè)備實(shí)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(cuò)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(gè)或多個(gè)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(cè)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(cè)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(hào)，并且當(dāng)誤碼率高于指定閾值時(shí)設(shè)備上就會(huì)有顯示。

接收靈敏度、SNR、THD和SINAD

接收靈敏度通過(guò)輸入已知功率的FM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)跟蹤SNR(或SINAD)直至它低于某個(gè)閾值(SNR的閾值通常是26dB)。對(duì)于SNR，我們?cè)谠O(shè)備音頻輸出端測(cè)量有用信號(hào)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(jiàn)圖3)等，可用于抓取的音頻數(shù)據(jù)中，以分析測(cè)試某些特定指標(biāo)。

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

測(cè)量SINAD時(shí)需要考慮失真因素。類(lèi)似于THD測(cè)量設(shè)備音頻輸出端帶內(nèi)諧波引起的失真，SINAD測(cè)量采用同樣的測(cè)試流程但使用不同的分析函數(shù)分析THD測(cè)試采集的數(shù)據(jù)。在THD和SINAD兩種情況下，測(cè)試儀提供FM信號(hào)和音頻信號(hào)(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(cè)試中，我們希望測(cè)量FM接收機(jī)對(duì)信號(hào)調(diào)幅的抑制能力。在衰落過(guò)程中，發(fā)射機(jī)失真和其它條件會(huì)使FM信號(hào)變?yōu)榉日{(diào)制。為了測(cè)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(hào)，因此設(shè)備接收的信號(hào)同時(shí)具有FM和AM特性。通過(guò)測(cè)量設(shè)備的音頻輸出電壓，并且去掉AM之后再測(cè)一次，我們就能測(cè)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(jì)設(shè)備在左聲道和右聲道之間保持信號(hào)平衡的能力。進(jìn)行立體聲平衡測(cè)試時(shí)，我們先發(fā)送一個(gè)左、右聲道音頻電平相等的信號(hào)，然后分別測(cè)量左聲道和右聲道的音頻輸出電平。兩個(gè)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(hào)而且完全抑制鏡像信號(hào)和雜散信號(hào)。然而，鏡像信號(hào)或雜散會(huì)產(chǎn)生較小而且有限信號(hào)響應(yīng)。雜散響應(yīng)/鏡像抑制測(cè)量設(shè)備抑制鏡像頻率及其它雜散信號(hào)的能力。實(shí)際上，設(shè)備的音頻輸出僅用有用信號(hào)測(cè)量，然后有用信號(hào)和表示鏡像或雜散的信號(hào)同時(shí)輸入，測(cè)量音頻輸出的改變并與首次測(cè)試結(jié)果比較得到抑制比。

導(dǎo)頻抑制

立體聲信號(hào)(包含分立的左聲道和右聲道內(nèi)容)是基于19kHz導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生的。接收機(jī)一旦檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)就會(huì)在23kHz～53kHz范圍來(lái)解調(diào)信號(hào)，而不是在單聲道信號(hào)頻段(30Hz～15kHz)。不管怎樣，導(dǎo)頻信號(hào)不應(yīng)在23kHz～53kHz頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生音頻信號(hào)。然而，導(dǎo)頻卻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的有限信號(hào)，所以必須讓它低于某個(gè)閾值。一種測(cè)試導(dǎo)頻抑制的方法是發(fā)送一個(gè)1kHz音頻的FM信號(hào)至設(shè)備并采集音頻輸出。分析此音頻輸出，1kHz音頻信號(hào)的功率與19kHz導(dǎo)頻信號(hào)的功率的比值即為抑制比。
三階截點(diǎn)-IP3

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

發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)特性的一致意見(jiàn)

發(fā)射端需要進(jìn)行的測(cè)試更少(見(jiàn)圖4)。

圖4 上面列出的七項(xiàng)測(cè)試全面反映了FM發(fā)射的設(shè)計(jì)性能

這七項(xiàng)測(cè)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(cè)試用于確認(rèn)設(shè)備產(chǎn)生的功率信號(hào)電平符合規(guī)定的最大閾值(通常從0～+5dBm)。在測(cè)試中，讓設(shè)備以最大RF功率電平發(fā)射。接收信號(hào)并測(cè)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(hào)，接收此信號(hào)并解調(diào)，測(cè)量接收信號(hào)的頻率并與規(guī)定的發(fā)射頻率比較。此外，接收信號(hào)解調(diào)后得到音頻輸出并且在整個(gè)信號(hào)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(cè)量的載頻不應(yīng)有明顯差別。

RDS BLER值

該測(cè)試實(shí)質(zhì)上與接收端的測(cè)試相同，除了讓設(shè)備發(fā)送符合RDS協(xié)議的信號(hào)并且測(cè)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(hào)，然后接收此信號(hào)并在頻域分析以確認(rèn)此信號(hào)限制在頻道頻譜內(nèi)。該測(cè)試沒(méi)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(hào)功率的帶寬。

SNR和THD

與接收測(cè)試類(lèi)似，可以通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量發(fā)射信號(hào)的SNR(包含或不含濾波器加權(quán))。采用1kHz音頻信號(hào)調(diào)制的信號(hào)還可用于分析THD。

設(shè)計(jì)測(cè)試與制造測(cè)試

設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行完整詳盡的測(cè)試，這時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)好壞進(jìn)行驗(yàn)證是首要目標(biāo)。完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證后，測(cè)試項(xiàng)目就可以縮減(見(jiàn)圖5)。這些測(cè)試只要能檢驗(yàn)出產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中是否出了問(wèn)題即可：

圖5a 在制造中，接收端的測(cè)試縮減至5項(xiàng)

圖5b 制造過(guò)程中的發(fā)射測(cè)試基本上沒(méi)有改變，因?yàn)樗羞@些測(cè)試項(xiàng)目將找到制造的缺陷

集成數(shù)字音頻接口(I2S)

在上文的測(cè)試描述中，假定設(shè)備輸出的是模擬音頻信號(hào)(RSSI除外)。雖然以前和現(xiàn)在模擬音頻信號(hào)都是主要的設(shè)備輸出信號(hào)類(lèi)型，但隨著傳統(tǒng)音頻聽(tīng)筒和耳機(jī)被藍(lán)牙耳機(jī)替代，I2S接口將越來(lái)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(cè)試應(yīng)用中，I2S總線(xiàn)提供準(zhǔn)確定義的接口，支持與測(cè)試設(shè)備之間傳輸“純凈”的數(shù)字信號(hào)。以這種方式，設(shè)備真實(shí)性能的測(cè)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(xiàn)由3條線(xiàn)路組成，分別是：

· 時(shí)鐘(SCK)

· 字選(WS)

· 數(shù)據(jù)(SD)

該總線(xiàn)是雙向的，用于將接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))設(shè)定為主(時(shí)鐘發(fā)生器)或從(時(shí)鐘接收器)。該時(shí)鐘頻率典型值為2.5MHz(周期為400ns)并且邏輯電平定義為VL0.4V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(cè)試系統(tǒng)只需處理模擬音頻輸出，但是更完整的測(cè)試方案是既能單獨(dú)處理模擬或者I2S，又能同時(shí)處理兩者的測(cè)試儀。

苛刻的測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本

正如上文所述，了解測(cè)試項(xiàng)目和如何測(cè)試很重要，但最關(guān)鍵的是確保測(cè)試時(shí)間最短并且測(cè)試成本最低。根據(jù)上文的介紹，我們完全可以用信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試。而且，在時(shí)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(shí)間和成本都非常關(guān)鍵，因而需要使用流水線(xiàn)程度更高的方法。例如，包含信號(hào)發(fā)生和調(diào)整設(shè)備控制的測(cè)試系統(tǒng)必然能簡(jiǎn)化處理復(fù)雜度并縮短處理時(shí)間(見(jiàn)圖6)。

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

使用I2S信號(hào)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(hào)(見(jiàn)圖7)。

圖7 接口模塊能接收和生成I2S數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，無(wú)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(hào)中的模擬損傷的影響

如果測(cè)試儀能生成并混合多個(gè)信號(hào)，還能用各種音頻信號(hào)對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，它就能組合一些設(shè)計(jì)和制造測(cè)試并得到多個(gè)測(cè)試結(jié)果。通過(guò)利用數(shù)字化的測(cè)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(píng)估測(cè)試并能消除設(shè)置或“讀”數(shù)據(jù)中的人為誤差。

圖8 LitePoint公司FM測(cè)試解決方案

下面以L(fǎng)itePoint公司IQ2010型MultICom為例說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)FM測(cè)試(圖8)。測(cè)試儀已內(nèi)建了能覆蓋FM測(cè)試頻譜的矢量信號(hào)分析(VSA)和矢量信號(hào)發(fā)生(VSG)。當(dāng)測(cè)試接收靈敏度時(shí)，IQ2010可產(chǎn)生具有以下特點(diǎn)的FM信號(hào)：1kHz音頻信號(hào)、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(hào)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(hào)生成一個(gè).wav文件并通過(guò)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(lái)自DUT的I2S輸出。同樣，生成的.wav文件通過(guò)USB接口可以傳到筆記本電腦。