移動(dòng)設備的FM測試方案

FM逐漸成為一項標配功能。與WiFi、GPS和3G蜂窩不同的是，早在20世紀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。

在今天的手持設備中，FM主要用于收聽(tīng)FM廣播。但是，如果采用FM傳輸，這些設備還能將存儲的數字音樂(lè )用廣播的方式發(fā)送到附近的FM接收機，例如汽車(chē)娛樂(lè )系統。當然，現在FM很可能成為高端移動(dòng)設備的功能之一。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備成本增加得最少并且保持較高的設備質(zhì)量和用戶(hù)滿(mǎn)意度，是移動(dòng)設備制造商必須面對的問(wèn)題。

缺乏測試標準

雖然業(yè)內缺乏寬帶FM信號指標的官方標準，但也存在一些共同點(diǎn)。例如，所有國家通常使用VHF無(wú)線(xiàn)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的連續奇數倍(北美、南美、加勒比)或偶數倍(歐洲某些地區，亞洲和格陵蘭島)增加。對于單個(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，即數字廣播數據業(yè)務(wù)(57kHz)，可用于傳輸窄帶數據信號，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)機構制定發(fā)射信號的頻率穩定度、頻譜純度等特征指標。事實(shí)上的接收標準已出現在常規設備中。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(gè)或多個(gè)不可糾正誤碼的數據塊占全部接收數據塊的百分數，通常限于5%或更低?？偟膩?lái)說(shuō)，并沒(méi)有規定設計和制造過(guò)程中需要測試的特性。相反，設計工程師可以較靈活地設置設計和制造的極限參數。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用范圍。

接收機設計特性的一致意見(jiàn)

高端FM芯片、模塊、參考設計和設備的設計工程師通常認可11項接收機測試(見(jiàn)圖2)。除SNR、SINAD和BLER之外，還包括接收信號強度指示(RSSI)、接收靈敏度、AM抑制、立體聲平衡、雜散響應/鏡像抑制、總諧波失真(THD)、導頻抑制和三階截點(diǎn)(IP3)。

圖2 這11項測試已成為FM芯片、模塊、參考設計和設備設計階段的主要測試項

RSSI值

RSSI反映設備接收到平均功率的強度，它通常使用檢測器或模數轉換器(ADC)測量在設備中頻(IF)級或基帶的功率。實(shí)質(zhì)上，我們需要確定一個(gè)已知功率信號發(fā)送到設備所產(chǎn)生的RSSI值符合規定的范圍。從測試角度看，這需要一個(gè)已知頻率、調制和功率的信號源，再將設備的測量結果與信號源對比。

RDS靈敏度/塊誤碼率

這是一種盲算，即只通過(guò)接收機完成測量無(wú)需了解測試設備實(shí)際發(fā)送的數據。接收機使用RDS協(xié)議的編碼機制區別正確數據位和錯誤數據位并進(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據塊數與接收數據塊總數的比值。

該測試的指標閾值典型值是5%，這決定了設備輸入端的接收功率電平，如果低于此電平那么BLER≥5%。這里，測試系統將根據RDS協(xié)議提供已知功率調制的FM信號，并且當誤碼率高于指定閾值時(shí)設備上就會(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信號進(jìn)行測量，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)。對于SNR，我們在設備音頻輸出端測量有用信號與帶內噪聲的比值。某些濾波器，如A加權、C加權和ITUR 468(見(jiàn)圖3)等，可用于抓取的音頻數據中，以分析測試某些特定指標。

圖3 在分析SNR時(shí)，可以使用某些濾波器并根據具體要求獲得結果

測量SINAD時(shí)需要考慮失真因素。類(lèi)似于THD測量設備音頻輸出端帶內諧波引起的失真，SINAD測量采用同樣的測試流程但使用不同的分析函數分析THD測試采集的數據。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)并采集設備音頻輸出用于后處理。

AM抑制

在A(yíng)M抑制測試中，我們希望測量FM接收機對信號調幅的抑制能力。在衰落過(guò)程中，發(fā)射機失真和其它條件會(huì )使FM信號變?yōu)榉日{制。為了測試抑制調幅的性能，我們向設備提供具有已知AM調制(例如30%)的FM信號，因此設備接收的信號同時(shí)具有FM和AM特性。通過(guò)測量設備的音頻輸出電壓，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(shí)，我們先發(fā)送一個(gè)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(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/鏡像抑制

在理想條件下，FM接收機僅響應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(huì )產(chǎn)生較小而且有限信號響應。雜散響應/鏡像抑制測量設備抑制鏡像頻率及其它雜散信號的能力。實(shí)際上，設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(shí)輸入，測量音頻輸出的改變并與首次測試結果比較得到抑制比。

導頻抑制

立體聲信號(包含分立的左聲道和右聲道內容)是基于19kHz導頻信號產(chǎn)生的。接收機一旦檢測到這個(gè)信號就會(huì )在23kHz～53kHz范圍來(lái)解調信號，而不是在單聲道信號頻段(30Hz～15kHz)。不管怎樣，導頻信號不應在23kHz～53kHz頻帶范圍內產(chǎn)生音頻信號。然而，導頻卻會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很小的有限信號，所以必須讓它低于某個(gè)閾值。一種測試導頻抑制的方法是發(fā)送一個(gè)1kHz音頻的FM信號至設備并采集音頻輸出。分析此音頻輸出，1kHz音頻信號的功率與19kHz導頻信號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)功率與3階互調產(chǎn)物(2f1-f2和2f2-f1)功率相等的點(diǎn)(虛擬點(diǎn))。這里，配置設備進(jìn)行SNR或SINAD測量并輸入FM信號(f1)得到SNR或SINAD讀數。然后，輸入CW(未調制)信號(f2)至該設備并且f1和f2的功率從同等功率起點(diǎn)開(kāi)始以相等步長(cháng)增加直至達到靈敏度的臨界點(diǎn)。FM音頻的功率電平即為IP3截點(diǎn)。

發(fā)射機設計特性的一致意見(jiàn)

發(fā)射端需要進(jìn)行的測試更少(見(jiàn)圖4)。

圖4 上面列出的七項測試全面反映了FM發(fā)射的設計性能

這七項測試包括最大發(fā)射功率、頻率/調制率準確度、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設備產(chǎn)生的功率信號電平符合規定的最大閾值(通常從0～+5dBm)。在測試中，讓設備以最大RF功率電平發(fā)射。接收信號并測量其功率，然后與規定的最大值比較。

頻率/調制率準確度

這里，讓設備在規定頻率上發(fā)送具有相等左聲道和右聲道音頻內容的FM信號，接收此信號并解調，測量接收信號的頻率并與規定的發(fā)射頻率比較。此外，接收信號解調后得到音頻輸出并且在整個(gè)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容相等，那么測量的載頻不應有明顯差別。

RDS BLER值

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

發(fā)射頻譜

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

占用帶寬

結合發(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(lèi)似，可以通過(guò)測試系統測量發(fā)射信號的SNR(包含或不含濾波器加權)。采用1kHz音頻信號調制的信號還可用于分析THD。

設計測試與制造測試

設計時(shí)需要進(jìn)行完整詳盡的測試，這時(shí)對設計好壞進(jìn)行驗證是首要目標。完成設計驗證后，測試項目就可以縮減(見(jiàn)圖5)。這些測試只要能檢驗出產(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，接收端的測試縮減至5項

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

集成數字音頻接口(I2S)

在上文的測試描述中，假定設備輸出的是模擬音頻信號(RSSI除外)。雖然以前和現在模擬音頻信號都是主要的設備輸出信號類(lèi)型，但隨著(zhù)傳統音頻聽(tīng)筒和耳機被藍牙耳機替代，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數據可以直接送至處理器進(jìn)行數字音頻處理，如加入環(huán)繞立體聲或者均衡參數等。

在測試應用中，I2S總線(xiàn)提供準確定義的接口，支持與測試設備之間傳輸“純凈”的數字信號。以這種方式，設備真實(shí)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(xiàn)由3條線(xiàn)路組成，分別是：

· 時(shí)鐘(SCK)

· 字選(WS)

· 數據(SD)

該總線(xiàn)是雙向的，用于將接收機(或發(fā)射機)設定為主(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。

盡管大多數情況下FM測試系統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(shí)處理兩者的測試儀。

苛刻的測試時(shí)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(shí)間最短并且測試成本最低。根據上文的介紹，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(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，包含信號發(fā)生和調整設備控制的測試系統必然能簡(jiǎn)化處理復雜度并縮短處理時(shí)間(見(jiàn)圖6)。

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

使用I2S信號的系統與使用模擬音頻輸出的系統很相似，區別在于前者的接口模塊能接收和生成I2S信號(見(jiàn)圖7)。

圖7 接口模塊能接收和生成I2S數字數據，無(wú)需將模擬轉換為數字而且消除了可能出現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(gè)信號，還能用各種音頻信號對RF信號進(jìn)行頻率調制，它就能組合一些設計和制造測試并得到多個(gè)測試結果。通過(guò)利用數字化的測試數據和使用高效的分析軟件，我們可以在幾秒鐘之內評估測試并能消除設置或“讀”數據中的人為誤差。

圖8 LitePoint公司FM測試解決方案

下面以L(fǎng)itePoint公司IQ2010型MultICom為例說(shuō)明如何實(shí)現FM測試(圖8)。測試儀已內建了能覆蓋FM測試頻譜的矢量信號分析(VSA)和矢量信號發(fā)生(VSG)。當測試接收靈敏度時(shí)，IQ2010可產(chǎn)生具有以下特點(diǎn)的FM信號：1kHz音頻信號、94.3MHz載頻、22.5kHz最大頻偏、50us預加重、30Hz~15kHz頻段調制(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(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。