PXI模組儀器軟硬兼施　射頻前端測試精確又快速

圖1　一般行動裝置的功率放大器

此外，新一代行動裝置常用的多重模式功率放大器經常會混搭GSM和其他標準，例如WCDMA或長程演進計畫(LTE)。因此功率放大器可能需要四個以上的輸入來源。這樣一來，所有模式就會根據不同頻率分為高頻帶與低頻帶，也會針對不同的標準提供不同的輸入模式，進而最佳化放大效能。

在圖1中，Vbatt是供應給功率放大器的電力，電力來源為電池或電池模擬儀器。而Vramp是控制輸入通道，有助於控制功率放大器的功率增益，這對GSM/GPRS/EDGE/EDGE+叢集訊號而言非常重要，因其訊號設定也是關鍵之一。

取決於功率放大器的複雜度，其中可能涉及不同的模式與頻帶控制通道，以用來切換功率控制(模式/頻帶/SPI)。例如，模式控制可能會從GSM模式變成EDGE模式。頻帶可根據功率放大器所運作的不同頻帶進行調整。新型功率放大器會逐漸採用序列周邊介面(SPI)，最終則是行動產業處理器介面(MIPI)(較新的高速序列介面)。SPI與MIPI搭載高速數位控制介面，工程師可以透過電源管理IC(PMIC)、中央處理器(CPU)和行動電話內的其他晶片加以整合。

與輸入來源一樣，目前的功率放大器至少需要兩個輸出：射頻輸出(1)和(2)，適用於不同的頻帶。新型功率放大器的趨勢是提供多重標準、模式與頻率。

另外，Vdetect提供裝置電池的控制訊號，決定功率放大器的Vbatt所需的功率。

用於射頻前端測試的常見測試裝置

圖2　用於射頻前端元件測試的傳統測試設備

工程師在銜接射頻前端元件以便執行特性與生產測試時，通常會使用某些設備。接著，說明最常見的儀器，以及與射頻前端元件銜接的方式(圖2)。

‧	頻譜分析器
	所有的射頻元件研發實驗室或設施中隨處可見頻譜分析器的身影。頻譜分析器可精準量測未知訊號的功率，例如須擷取射頻訊號也能輕鬆設定。就射頻前端測試而言，頻譜分析器經常用來擷取較高頻率的射頻訊號，例如混附或諧波測試。如果工程師要針對WLAN裝置執行第七階量測，就必須使用可量測高達40GHz的分析器。由於分析器沒有原生的帶通濾波器，所以主要載波的輸入通道通常要加上外接濾波器，這樣的動態範圍才足以量測諧波或混附訊號。一般而言，不同的濾波器頻帶可用於行動頻帶，或是WLAN、藍牙(Bluetooth)、ZigBee等無線網路頻帶。
‧	向量訊號分析器
	對射頻前端元件測試而言，向量訊號分析器屬於最重要的設備之一。向量訊號分析器類似用來量測功率的頻譜分析器，可量測相位資訊，這對調變精確度量測而言非常重要。除了相位和強度擷取功能外，數位化射頻訊號的速度也非常快(在降轉換之後執行)，接著就可以動態擷取訊號。這是WCDMA或WLAN等展頻技術非常重視的部分。持續性的相位資訊可能需要30MHz的頻寬。向量訊號分析器可銜接功率放大器的射頻輸出(1)和輸出(2)(圖1)。
‧	射頻波形產生器
	射頻波形產生器也稱為連續波產生器，可提供精確的射頻訊號至射頻前端元件。這些產生器經常用於系統校準，也可以整合在一起製造內部調變失真(IMD)和三階交叉點(IP3)多音，或者當作鄰近通道干擾器。 向量訊號產生器是射頻前端元件研發實驗室或設施中最為常見的產生器，不僅能提供受控射頻訊號輸出的功率和頻率，也能提供控制輸出訊號相位。一般而言，只要透過超外差架構或I/Q調變架構即可取得這些資訊。 工程師也可把向量訊號產生器用來校準系統或產生多音，還可以當作鄰近通道干擾器。不過更重要的是，向量訊號產生器可提供已調變訊號至射頻前端元件。在訊號通過裝置後，這個功能可說是測試訊號調變精確度的關鍵。
‧	向量網路分析器
	在射頻前端測試實驗室內，向量網路分析器不如其他儀器那麼常見，不過對某些量測作業而言，其功能是不可或缺的。向量網路分析器主要用於反射與傳輸量測，例如折返損耗、插入損耗和電壓駐波比；其相對準確度非常高，這對上述所有比率量測來說非常重要。有時候連續波產生器和頻譜分析器會搭配外接耦合器，不過準確度仍然比不上向量網路分析器。
‧	射頻切換器
	射頻切換器可以在裝置新增更多射頻通道時派上用場，不須要額外購買比較貴的產生器或分析器。由於射頻訊號的規格限制，射頻前端元件測試都會採用電機切換器。由於半導體裝置日新月異，隨時都可以用固態切換器加以取代，而固態切換器可以延長使用壽命，也可以加快切換速度。
‧	高速數位分析器/產生器
	高速數位分析器/產生器(HSDIO)可控制射頻前端元件不斷變化的模式(CDMA或LTE等標準)、頻帶和其他裝置設定。由於行動裝置的設計越來越精密，MIPI等標準也納入相關規範，以便針對所有晶片提供通用的通訊協定。HSDIO可針對MIPI與SPI通訊協定提供簡易的靜態指令或高速序列指令。這一點的重要性與日俱增，因為數位介面大多轉換為更高速的序列介面，而非傳統的平行數位介面。HSDIO可銜接功率放大器裝置的模式/頻帶/SPI埠(圖1)。
‧	任意波形產生器
	任意波形產生器(AWG)控制了功率放大器的Vramp訊號。因為許多射頻訊號都屬於脈衝訊號，而非連續的傳輸訊號，所以產生正確的訊號設定非常重要。Vramp控制通道(圖1)已經和任意波形產生器銜接。Vramp負責功率放大器的增益控制設定。任意波形產生器可完整控制類比波形的合成作業。有了取樣率超過100MS/s的任意波形產生器，即可輕鬆完成不同類型的客製斜波設定。
‧	電池模擬器
	電池模擬器是射頻前端的主要電源。對行動裝置的功率放大器而言，此電流可能是3安培(A)以上，取決於所放大的訊號標準與頻率。電源供應器還有另一個重要需求，那就是高速瞬變響應時間，這樣可以確保射頻叢集訊號的功率設定正確無誤。Vbatt(圖1)通常可由電池模擬器提供，尤其適用於GSM或容易產生叢集的類似訊號。
‧	電源量測單元
	電源量測單元是一種專屬的電源供應器，對射頻前端元件而言相當常見。與標準電源供應器 不同的是，電源量測單元可在毫微安培或更小的電流範圍內提供回讀功能。此外，還能在四象限內提供訊號功率的源極與汲極功能。電源量測單元還可以銜接射頻前端元件的多重通道。在圖1中，這可能是Vramp、Vdetect、Vbatt和模式/頻帶/SPI埠，以用來量測電流和通路效能。 在生產測試中，電源量測單元可能會和HSDIO整合成一項產品，成為各接腳電源量測單元(PPMU)。此裝置的功能和一般的HSDIO儀器相同，不過也具備類似電源量測單元的功率與量測功能。雖然，一般而言不像電源量測單元那麼準確，但卻容許密度較高的通道數量。
‧	數位多功能電表
	數位多功能電表可能是實驗室最常見的儀器，也經常出現在射頻前端元件實驗室。雖然沒有電源量測單元那麼重要，卻可以量測所有通道的電壓壓降，或是監控許多相同通道的洩漏電流。數位多功能電表的電流與電壓量測精確度可媲美電源量測單元。
‧	示波器
	示波器(Oscilloscope或Digitizer)可用於時域量測。對射頻前端元件而言，這是相當實用的除錯工具，尤其是出色的取樣率功能。圖1的Vdetect通道可透過示波器量測，因為其數值會快速變化。
‧	功率計
	功率計對射頻前端元件而言非常重要，射頻功率精確度完全仰賴這個裝置。其功率精確度比頻譜分析器和向量訊號分析器高出十倍以上。功率計採用不同的架構以擷取功率，也因為這種架構，所以功率範圍有限。不過，功率計也可以做為系統校準的參考，以便在限制範圍外執行量測，或者加快量測速度。射頻前端元件可以內建或外接功率計，才能確保功率輸出正確無誤。
‧	負載拉移
	就射頻前端元件實驗而言，負載拉移(Load-pull)不像其他儀器那麼常見，不過對實際模擬來說，卻是不可或缺的重要設備。通常連接至功率放大器的天線，其阻抗會因環境而有所差異，例如可能在某個金屬結構附近，或者固定在車輛座椅上。這會影響射頻前端元件和天線之間的已調整阻抗。接著，可能會造成電壓駐波比增加，因此射頻前端會提供更多補償功率，更快消耗電池電力。負載拉移可調整射頻輸入或輸出抗阻，進而模擬這樣的狀況。接 著，工程師可以加強功率放大器的設計，以免必須經常移除電池。
‧	放大器
	執行射頻前端元件的壓縮測試時，通常需要較高的功率，所以必須透過放大器來模擬這樣的狀況。大部分產生器(連續波或向量訊號產生器)的輸出功率有限，通常不會超過+10dBm。若要模擬射頻前端元件較高的功率輸入，就得將訊號放大至+18dBm或+20dBm。連續波或向量訊號產生器所產生的射頻訊號，可透過放大器來輸出適當的額外功率。

運用PXI產品執行射頻前端測試

圖3　射頻前端元件測試系統設定

現在工程師已進一步了解射頻前端測試的各種量測、元件和儀器，運用PXI架構系統時即可驗 收成效(圖3)。

基本的PXI架構射頻前端元件測試包含下列產品(圖4)：

圖4　一般設定常用的設備

‧	射頻前置放大器
	可程式化前置放大器/放大器，最多可增加50dB；可將美商國家儀器(NI)PXIe-5673E的輸出功率提升至+21dBm，這對功率放大器的1dB壓縮點測試來說非常重要。如須超過+21dBm，可考慮外接放大器
‧	射頻切換器
	其中一種射頻切換器，可切換產生器與分析器通道(由於大部分裝置皆支援多重頻帶，工程師需要兩條以上的通道才能連接至射頻前端元件。工程師毋須添購額外的產生器和分析器，即可自動化高品質切換功能，進一步改變輸入與輸出。
‧	向量網路分析器
	雙埠式向量網路分析器，可用於量測射頻前端元件的插入損耗、折返損耗與電壓駐波比的虛線代表已接上向量網路分析器)。
‧	來源調整器與負載拉移
	Maury Microwave與Focus Instruments等公司的其他儀器(圖5)。
‧	功率計
	單一裝置內的獨立通用序列匯流排(USB)架構功率感測器與功率計；出色的功率精確度適合阻抗量測與系統校準。

圖5　更精密的測試會採用來源調整器與負載調整器(負載拉移)，來測試非線性動作與輸入/輸出抗阻變化。

觸發與時序整合至為關鍵

圖6　功率放大器測試的觸發參考圖

射頻前端測試的重點之一就是時序與觸發整合，這樣才能執行不同的測試。測試功率放大器裝置時，觸發功能扮演著非常關鍵的角色。要是沒有精密的觸發控制功能，裝置就會因為未經校準的裝置功率、Vramp或射頻訊號產生與擷取，而提供錯誤結果。

參考圖1的功率放大器裝置。如要測試此裝置，必須同時控制並讀取多個通道。提供給功率放大器的功率位於Vbatt接腳，此外由於這是一種電池模擬裝置，這種功率屬於脈衝功率，接收到射頻訊號時便會受到觸發。工程師也必須控制訊號Vramp的增益，這通常須要任意波形產生器才能建立正確的斜波。此外，還必須控制模式與頻率，但也不用透過時序來控制這些項目。最後，射頻輸入訊號需要特定的時序才能成為脈衝訊號。圖6清楚說明這些關係。

既然工程師可在各種模組透過背板來觸發PXI，上述所有裝置和僅供擷取的裝置(例如向量訊號分析器和示波器)都能運用相同的觸發參考(圖7)。不然，向量訊號分析器和示波器也可以使用PXIe-5663的I/Q功率觸發功能來擷取基礎射頻訊號功率，進而參考自身觸發。前觸發緩衝資料一旦經過設定，即可擷取所需的訊號及其設定與緩升/緩降部分。

圖7　PXI背板顯示出向量訊號產生器和電池模擬器之間的觸發連接功能。

PXI系統與射頻參考架構整合

工程師可以輕鬆地將射頻前端測試軟體與射頻測試參考架構整合。相較於傳統的射頻前端元件測試儀器，PXI能省下可觀的時間，其中包含四種測試時間：

‧	最新的現成處理器，具備極快的訊號處理速度。
‧	現場可編程閘陣列(FPGA)技術，可提供即時訊號處理與量測功能。
‧	可迅速遷移資料的PCI Express背板，同時能與主控制器保持低延遲通訊。
‧	靈活的軟體以便最佳化系統設定與通訊。

最新處理器加速訊號處理

如其他因更快速的中央處理器而受益的應用情境一樣，功率放大器測試的訊號處理過程也會因此受益。射頻訊號通常會引發測試時間的相關問題，因為訊號處理過程比低頻訊號更密集。訊號透過降轉換來自較高的頻率，而且寬頻訊號也較多。

隨著LTE和802.11ac等新技術陸續研發成功，頻寬可輕易超過80MHz，所以類比數位轉換 器(ADC)的取樣率至少要達200MS/s以上。一旦訊號經過數位化，就必須從基頻格式開始處理(假設IF訊號已經過數位降轉換)，才能確保調變精確度或適用於頻譜量測。其中可能包含脈衝波形濾波器移除、通道解碼，以及頻譜量測所需的解調變或格式化作業。處理二億筆取樣資料時，就需要大量的處理流程。

另一更常見的處理方式是多核心處理器。PXI測試系統透過內嵌式控制器或使用遠端MXI的現成電腦提供多核心處理功能。由於時脈增加造成處理器升溫，多核心處理器因此誕生。因為沒有液體或氮等較精密的冷卻技術，微處理器的時脈必須受到限制。PXI會同步啟用儀器，運用多執行緒，執行複合量測，藉此善用多核心技術。

美商國家儀器TestStand應用程式適合用來設定功率放大器測試系統，以便執行平行與多執行緒測試。自動排程功能可搭配現有的測試設備來最佳化平行測試，此外還有進階的同步化功能，例如佇列、通知和集合等。如果同時測試兩部以上的功率放大器，TestStand可協助管理硬體切換。

複合量測可發揮多核心處理器優勢。複合量測僅擷取資料一次，並會同時分析所有的量測資料，而非依序擷取I/Q資料再分析各項量測資料。圖8說明了GSM訊號的複合量測過程。工程師不用分別針對PVT、PFER與ORFS擷取資料，只要擷取資料一次，再使用多核心處理器同步處理I/Q資料即可。

複合量測省下的時間非常可觀。以先前看過的GSM與EDGE量測為例，工程師不用分別擷取資料並執行量測，只要運用複合量來測執行相同測試即可。

FPGA提供即時訊號處理/量測功能

圖8　GSM訊號的複合量測

FPGA技術也可以節省射頻測試時間，並且進一步加快測試速度。目前的FPGA省電又有彈性，可以即時處理訊號。就現今的無線趨勢而言，這項技術是資料訊號處理的關鍵。內建訊號處理功能(簡稱OSP技術)就是絕佳範例。NI5663VSA專用示波器與NI5673VSG專用的任意波形產生器都搭載OSP技術，因此可以透過FPGA直接相互轉換中頻(IF)和基頻，通常這類轉換作業需要主機電腦集中執行相關處理作業。

除了經常用來搭配OSP技術外，工程師也可以透過LabVIEW FPGA模組等工具來設定FPGA，進而運用FGPA進行量測作業。回到之前討論過的GSM訊號，只要注意一下相關標準，就會發現脈衝訊號的長度為5毫秒。由於工程師可以平行處理整個訊號，其實也可以執行類似的複合量測，就像採用多核心浮點處理器的複合量測一樣。工程師可以有效減少測試時間，原本擷取單一脈衝訊號需要11毫秒，即時擷取卻只要5毫秒就行了。

PCI Express背板與主控制器保持低延遲通訊

要縮短測試時間，除訊號處理外，第二重要就是快速的資料遷移匯流排。對較短的資料叢集而言，快速匯流排和較慢匯流排差異並不大。一旦LTE等訊號的資料擷取規模變大，就會影響測試時間。

總歸來說，測試手機的射頻前端元件(雙工器、功率放大器和收發器等)需要精確度非常高的測試設備。一般而言，傳統的箱型儀器因為精確度較高，所以會用於特性測試，不過這類儀器不具備製造測試環境所需的速度。大型測試設備不僅速度快，還可以用於平行測試，但精確度卻不如箱型儀器，也沒有除錯功能。

PXI儀器兼具適合特性測試的精確度，以及製造測試工程師所需的速度。由於PXI儀器具有模組化功能，工程師可以同時運用多個混合訊號儀器，例如射頻分析器、產生器、數位產生器/分析器和電源供應器，並且同步化這些儀器，進一步提高測試速度與量測精確度。此外，透過PXI所搭載的PCI技術，工程師還可以在不同儀器間共用資料，完全不必受限於軟體。

(本文作者任職於美商國家儀器)