調(diào)制網(wǎng)絡(luò)分析和測(cè)量系統(tǒng)

　　移動(dòng)通信已經(jīng)越過模擬方式的第一代，現(xiàn)今數(shù)字方式的第二代，如CDMA和GSM正向第三代過渡，表現(xiàn)為數(shù)字調(diào)制更加復(fù)雜和載波頻率更高。美國(guó)在2000年底的移動(dòng)電話用戶超過1億，占全國(guó)人口總數(shù)的36%，用戶的增長(zhǎng)勢(shì)頭并未減弱，每天新用戶平均數(shù)達(dá)到6.7萬。中國(guó)移動(dòng)電話用戶也有8千萬，成為名副其實(shí)的移動(dòng)電話大國(guó)。據(jù)美國(guó)Dataguest咨詢公司統(tǒng)計(jì)，2000年全球移動(dòng)電話手機(jī)總數(shù)是4.3億部，預(yù)計(jì)2004年將超過10億部，2005年后仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。


　　美國(guó)的移動(dòng)電話是1983年面市的，短短17年就輕松地越過1億大關(guān)，相對(duì)有線電話花去91年，電視花去54年，汽車花去68年才達(dá)到1億這個(gè)數(shù)目，可看到信息時(shí)代對(duì)通信產(chǎn)品的殷切需求。中國(guó)擁有12億人口的巨大市場(chǎng)，移動(dòng)電話用戶超過1億所需時(shí)間肯定用不到美國(guó)的17年。
　　移動(dòng)電話的核心元件是混合集成電路，為迎接第三代移動(dòng)手機(jī)的規(guī)模生產(chǎn)，半導(dǎo)體制造業(yè)要從200mm直徑的硅片升級(jí)到300m直徑的硅片，同時(shí)，集成電路的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）也要采用新技術(shù)和新設(shè)計(jì)目標(biāo)是增加生產(chǎn)率和降低測(cè)試費(fèi)用。移動(dòng)手機(jī)的芯片集包括單芯片系統(tǒng)（SOC）和射頻功率放大器，因此，射頻測(cè)試是不可缺少的重要組成部分。RF ATE系統(tǒng)需要考慮的要求是：


　　·載波頻率越來越高，從800MHz增加到1800MHz、2000MHz甚至更高。


　　·調(diào)制帶寬越來越寬，從低于1MHz增加到5MHz以上。


　　·輸出功率動(dòng)態(tài)范圍增加，CDMA的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到±13dB，W-CDMA的動(dòng)態(tài)范圍更大。


　　·鄰近信道功率比（ACPR）也從-55dBc降到-80dBco


　　·相應(yīng)的交調(diào)失真，誤碼率，相位噪聲亦有更高的指標(biāo)。






調(diào)制矢量網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)


　　傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析器（VNA）采用正弦波作激勵(lì)，與移動(dòng)通信的第二代和第三代的數(shù)字調(diào)制方式有相當(dāng)差別，Credence公司開發(fā)的調(diào)制矢量網(wǎng)絡(luò)分析器（MVNA）直接用數(shù)字調(diào)制的載波作激勵(lì)，一次測(cè)試即可獲得過去要用網(wǎng)絡(luò)分析器、頻譜分析器、矢量信號(hào)分析器和功率計(jì)等多種儀器的測(cè)試結(jié)果。顯然，利用MVNA不但簡(jiǎn)化測(cè)試手續(xù)和節(jié)省測(cè)試成本，而且提高生產(chǎn)率和測(cè)試準(zhǔn)確度。一次測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出S參數(shù)、鄰近信道功率比、誤差矢量幅度和功率。因?yàn)镸VNA直接用快速傅里葉分析（FFT）對(duì)采集的數(shù)據(jù)作處理，使得一機(jī)多用成為可能。根據(jù)傅里葉函數(shù)原理信號(hào)由HT處理后變換成眾多諧波分量，收集的信息量取決于激勵(lì)信號(hào)以及接收裝置的有效帶寬。
　　S參數(shù)是器件設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)中最常用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，特別在移動(dòng)通信的射頻波段，S參數(shù)最能反映器件的特征，獲得S參數(shù)后即可改進(jìn)器件中的設(shè)計(jì)，同時(shí)可構(gòu)成性能最佳的電路。端口器件的4個(gè)S參數(shù)如圖1所示，S參數(shù)是隨頻率而變化的轉(zhuǎn)移函數(shù)，用振幅和相位表示，S參數(shù)與輸入波形（a1和a2）以及輸出波形（b1和b2）的關(guān)系如下式所示：










　　由上式可知，S11是a2=0時(shí)的b1與a1之比，S21是a2=0時(shí)的b2與a1之比等等。


　　由于被測(cè)器件要通過測(cè)試臺(tái)和電纜連接到測(cè)量?jī)x器，測(cè)試臺(tái)、電纜、儀器等都會(huì)對(duì)器件的S參數(shù)引入誤差。為便于計(jì)算和說明，器件的真實(shí)參數(shù)和波形用下標(biāo)A表示，外部測(cè)量獲得的參數(shù)和波形用下標(biāo)M表示。因而，就有S11A……S22A與S11M……S22M，以及a1A……b2A與a1M……a2M兩組不同的參數(shù)和波形。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能就是根據(jù)S11M=……S22M值求得S11A……S22A。



　　MVNA測(cè)量系統(tǒng)


　　根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析原理，假定器件和測(cè)量系統(tǒng)都是線性設(shè)備，即可建立正向和反向誤差模型，從測(cè)量值求出真實(shí)值，采用的測(cè)量流程如圖2所示。正如其他測(cè)量系統(tǒng)一樣，流程開始時(shí)首先輸入激勵(lì)波（VNA用正弦波，MVNA用數(shù)字調(diào)制正弦波），然后下變頻成為采集波（VNA是窄帶的中頻，MVNA是寬帶的調(diào)制波），再借助HT變換成頻譜分量，根據(jù)正向的a1M、b1M、b2M和反向的a2M、b1M、b2M求得S11M……S22M參數(shù)，根據(jù)矢量誤差修正求出S11A……S22A參數(shù)。由流程圖可知，由于激勵(lì)波的不同，使得VNA的采集波是窄帶的中頻，而MVNA的采集波是寬帶的中頻調(diào)制波，調(diào)制波載有大量的信息，結(jié)果MVNA會(huì)比VNA獲得更多的特征參數(shù)。



　　再詳細(xì)看看MVNA的電路構(gòu)成，方框圖如圖3所示。連續(xù)載波由同相正交（I/Q）發(fā)生器的任意波形進(jìn)行調(diào)制，輸入S參數(shù)測(cè)試臺(tái)，經(jīng)切換開關(guān)和定向糯合器送到被測(cè)器件的1和2端口，測(cè)試臺(tái)的4個(gè)輸出接到4個(gè)獨(dú)立的接收機(jī)。接收機(jī)的第一本振LO1是頻率合成器，輸入的調(diào)制載波與L01混頻后產(chǎn)生215MHz的第一中頻IF1，IF1的帶寬有15MHz。第二本振L02是200MHz的固定頻率，與IF1混頻后產(chǎn)生15MHz的最后中頻IF2。最后中頻由60MHz的取樣率作A/D轉(zhuǎn)換，并由數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和FFT變換。根據(jù)FFT變換后的離散頻譜不難按圖2的處理流程求得真實(shí)的S參數(shù)。










　　MVNA測(cè)量系統(tǒng)既要測(cè)量S參數(shù)幅度，也要測(cè)量相位，因而，全部發(fā)生器和取樣時(shí)鐘由同一個(gè)10MHz基準(zhǔn)源來同步，I/Q調(diào)制信號(hào)源由外部脈沖觸發(fā)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)具有嚴(yán)格的信號(hào)相位相關(guān)性。A/D轉(zhuǎn)換采用60M隘的快速過取樣率，必須由平滑下降的濾波器濾除混淆信號(hào)，保證良好的線性相位特性。I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器同樣由30MHz取樣率的時(shí)鐘產(chǎn)生，輸出波形不斷循環(huán)，并由外部的超前觸發(fā)脈沖來控制。從被測(cè)器件1，2端口獲得的信號(hào)是入射、反射和傳輸波，定向藕合器允許較大范圍的動(dòng)態(tài)范圍，它的頻率響應(yīng)決定整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的頻率特性。



　　實(shí)際測(cè)量結(jié)果


　　現(xiàn)在對(duì)MVNA與VNA的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較：


　　·10dB衰減器的幅度和相位一衰減器是寬帶無源元件，兩種方法的結(jié)果應(yīng)該符合，因?yàn)闊o源元件不會(huì)帶來非線性或存儲(chǔ)效應(yīng)。測(cè)量結(jié)果如圖4所示，兩種方法的幅度和相位基本一致，幅度的相對(duì)誤差低于±0.2dB，相位誤差低于0.75°。


　　·射頻功率放大器件的S21的幅度和相位一射頻功率放大器安裝在評(píng)估用測(cè)試板上，S21代表有源放大器的反饋特性，測(cè)量條件比較敏感，測(cè)量頻段與10dB衰減器相同，MVNA的激勵(lì)信號(hào)是W-CDMA和功率2.8dBm，VNA的輸入功率是0dBm的連續(xù)波。測(cè)量結(jié)果顯示兩種方法獲得的|S21|參放值是32.5dB時(shí)相差1.5dB，


　　·對(duì)于不同調(diào)制方式和不同驅(qū)動(dòng)功率一可認(rèn)為MVNA方法的S21測(cè)量結(jié)果基本一致，在接近放大器的飽和工作點(diǎn)時(shí)，差別有所增加，這是預(yù)料之中的結(jié)果。


　　·MVNA獲得的S參數(shù)接近實(shí)際應(yīng)用情況一在調(diào)諧輸入匹配和放大器增益時(shí)比較方便，而VNA獲得的S參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用情況有差別，在調(diào)諧輸人匹配和放大器增益時(shí)調(diào)節(jié)裕量需要增加，調(diào)節(jié)時(shí)間亦增加。





　　網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)量往往需要價(jià)位昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這種設(shè)備通常只有臺(tái)式儀器結(jié)構(gòu)，即使VXI和PXI儀器模塊也沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀。Credence公司的MVNA采用Compact PCI總線模塊，可以安裝到集成電路測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試頭內(nèi)，極大地方便通信專用集成電路的網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)量。雖然目前MVNA的頻率范圍只達(dá)到2400MHz，隨著其他頻段通信設(shè)備的增加，以及芯片系統(tǒng)的多樣化，MVNA將會(huì)進(jìn)入更高頻率和更加靈敏，將與傳統(tǒng)的VNA并存，MVNA和VNA在競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)繼續(xù)發(fā)展各自的特長(zhǎng)，共同促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量技術(shù)的提高。



　　MI4115型的MVNA模塊


　　Credence公司把MVNA應(yīng)用到最新開發(fā)的Quartet系列數(shù)字混合信號(hào)平臺(tái)內(nèi)，作為測(cè)量芯片系統(tǒng)射頻網(wǎng)絡(luò)特性的激勵(lì)和測(cè)量子系統(tǒng)。MVNA子系統(tǒng)采用Compact PCI機(jī)箱和模塊，這種MI-4115A型設(shè)備安裝在平臺(tái)的儀器柜內(nèi)，接收機(jī)前端放在測(cè)試臺(tái)內(nèi)，主要特性有以下幾項(xiàng)：


　　測(cè)量參數(shù)


　　·調(diào)制S參數(shù)


　　·頻譜分析


　　·交調(diào)失真


　　·鄰近信道功率比


　　·功率測(cè)量



　　I/Q調(diào)制波發(fā)生器


　　·位數(shù)—14位


　　·取樣率—30MHz


　　·有效取樣率—120MS/s


　　.樣點(diǎn)—1M/通道


　　·通道數(shù)目—2個(gè)



　　接收機(jī)


　　·頻率范圍—800~2400MHz


　　·采集帶寬—15MHz（寬帶）、6kHz（窄帶）


　　·動(dòng)態(tài)范圍—80dB（寬帶10kHz）、100dB （窄帶100Hz）


　　·分辨率帶寬—100Hz ~15MHz


　　·噪聲本底—-115dBm（分辨率帶寬100Hz）


　　·采集樣點(diǎn)—1M/每接收機(jī)


　　·接收機(jī)數(shù)目—4個(gè)



　　S參數(shù)測(cè)試臺(tái)


　　·端口連接-N型插座


　　·輸入功率—底功率型50W、高功率型100W


　
　　操作系統(tǒng).


　　·Windows NT4.0


　　Credence公司在集成電路測(cè)量系統(tǒng)方面有豐富經(jīng)驗(yàn)，供應(yīng)音頻、視頻和射頻的多種測(cè)試產(chǎn)品，它開發(fā)的MVNA由于具有一機(jī)多用和結(jié)構(gòu)靈巧，使Quartet的整體性能明顯提高，在高性能集成電路的大批量測(cè)量中，為專用混合信號(hào)器件提供一種低成本高吞吐率的綜合測(cè)試設(shè)備。


摘自《東方集成電子商務(wù)網(wǎng)》