基于藍牙芯片的射頻測試裝置及測試系統設計

韋 平

（思澈科技（上海）有限公司，上海 201210）

0 引 言

在藍牙消費類電子產品的研究和開發過程中，藍牙射頻（Radio Frequency，RF）在產品級的應用上會遇見各種各樣的問題，如連接配對不穩定、傳輸距離短以及抗干擾性能差等，這些問題的出現往往跟射頻的性能指標相關。因此，在研發測試階段，會對射頻模塊進行全面驗證，確保及時發現芯片存在的問題。基于藍牙芯片的射頻測試裝置及測試系統設計的開發，可以建立起高效的測試方案，降低風險成本，避免人為操作引入誤差變量，使得芯片品質得以把控。

1 系統架構

基于藍牙芯片的射頻測試裝置及測試系統結構如圖1 所示，圖1 測試裝置及系統結構設計。

圖1 測試裝置及系統結構

主要分為4 大核心區：藍牙芯片的測試裝置、待測設備藍牙芯片、射頻信號發生裝置以及分析射頻信號的頻譜儀[1]。其中藍牙芯片的測試裝置由4個模塊區組成：配置模塊、接收測試模塊、發射測試模塊及測試結果輸出模塊。本系統裝置中重點開發了射頻模塊的2 大重要功能，即接收測試模塊和發射測試模塊。針對這2 個部分的射頻模塊，將芯片內部的各單模塊進行拆分，發射和接收的結構如圖2 所示。該系統設計了覆蓋較為全面的測試用例。接收測試模塊設計了自動增益控制、輸入二階交調截取點、輸入三階交調截取點、本振測試、噪聲系數測試和預設壓縮點測試單元模塊。這些模塊主要實現了接收機相關性能的測試[2]。發射測試模塊主要設計了功率測試、調節功率控制測試、輸出帶寬測試、相位噪聲測試、帶外噪聲測試單元模塊，實現了發射機性能的測試[3]。

該設計滿足了藍牙射頻接收和發射模塊的主要性能指標的測試要求。同時這一設計可以盡可能預防人工操作帶來的隨機性問題，避免很多不穩定因素引起的芯片不良，如人工作操作帶來靜電、配置參數的遺漏等。通過軟件算法的完備，該設計可以支持的測試項目會越來越多，研發工程師可以快速驗證設計結果，進行調試驗證[4]。實現芯片級自動化測試，解決人工手動測試效率低，容易出錯等問題。

圖2 發射和接收的結構

2 測試程序軟件設計方案

射頻接收測試主要任務是獲取接收機相關模塊性能的數據。通用編程接口分別控制通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）、局域網（Local Area Network，LAN）及串口（Uart 口）連接，通過MATLAB 程序控制藍牙芯片、信號發生裝置以及頻譜儀工作，通過編程接口控制信號發生裝提供信號源。利用串口接口獲取相關的數據，進行格式存儲，對所獲參數進行數據分析[5]。其中藍牙射頻芯片接收測試程序流程如圖3 所示。

圖3 藍牙射頻芯片接收測試程序流程

2.1 射頻接收模塊的程序設計流程

從圖3 可以看出，S203 節點設計自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）通過信號源產生輸入及設定設計要求的帶寬信號，經過電路輸出隨放大電路自動調整輸出信號幅度。接收電路設計結構如圖4所示，天線可以接收來自空間中特定方向的電磁波，依次經過發射/接收天線開關器（T/R switch)、低噪聲放大器（LNA）、射頻濾波器（RF filter）以及接收機壓控放大器（VGA）輸出信號，從而驗證設計的增益變化，得出的數據生成相應的gain table，將表格的測試值應用到實際產品的不同測試場景中，發揮最佳的接收機性能。

從圖3 可以看出，S204 和S205 節點二階和三階交調的測試，主要是評估交調產物落在帶內對接收靈敏度產生的影響。信號源生成2 個載波信號，經過接收機電路，混頻產生的信號對基帶信號產品的干擾大小，二階和三階交調的產生機理如圖5 所示。射頻接收機采用射頻-中頻（RF-IF）信號處理電路，當載波信號被加入到接收機的天線輸入端時，在RF 段混合產生了互調信號。這些信號頻率干擾到接收機的工作頻率時，會被當做同一頻率的輸入信號被RF-IF段和解調器處理。二階和三階交調信號測試是衡量射頻器件線性度和失真性能的重要指標。系統測試裝置能夠快速測試出交調失真，評估出交調失真對系統的頻譜利用率，估算誤碼率在系統應用上的影響。交調測試的指標越高，表示器件的線性度越好，失真越少。

圖5 二階和三階交調示意

圖5 中：ft為接收機調諧頻率上的互調產物；f1、f2為有害大信號的頻率。

若f1±f2=ft則為二階互調失真；若2f1±f2=ft則為三階互調失真。

圖3 中的S206 節點本振泄露（LO leakage）通過控制指令配置接收機，頻譜儀分析接收信號與VCO電路混頻，產生固定的中頻信號經過LNA 放大泄露到輸出口或輸入口的本振信號。如圖6 所示。接收電路工作原理是信號經過射頻濾波，低噪聲放大后與本振（LO）混頻，通過壓控放大器產生IQ 信號。

圖6 接收電路設計結構

S207 節點噪聲系數（Noise Figure）的設計是利用噪聲系數測試，使用噪聲系數測量Y 因子法，頻譜儀的噪聲源是能產生2種不同噪聲功率的噪聲發生器。噪聲因子的對數標度值：噪聲系統（NF）=10×LOG（噪聲因子F）。該設計主要通過控制DC 脈沖電源驅動電壓，給噪聲源+28 V 的直流電，當采用+28 V供電時，相當于噪聲源開，稱為熱態，此時輸出大的噪聲功率；電源關閉時，相當于噪聲源關，稱為冷態，此時輸出常溫下的噪聲功率。

S208 節點1 dB 壓縮功率點測試，定義了1 dB 壓縮點Pin-1dB：由于PA 非線性，當輸入功率為Pin-1dB時，PA 的功率增益比線性情況低1 dB。輸入與輸出功率的關系如圖7 所示，通過輸入和輸出功率的變化，測試出滿足設計要求的壓縮點。

圖7 輸入與輸出功率的關系

2.2 射頻發射模塊的程序設計

射頻發射模塊的程序設計如圖8 所示。

圖8 藍牙射頻芯片發射測試程序流程

圖7 中S103 節點進行發射功率的測試是射頻經過PA 之后的輸出功率。通過控制芯片輸出，測量頻譜儀輸出頻點的功率大小，全信道測試每個頻點的發射功率，可以分析內部設計PA 的校準情況。S104 節點發射功率控制增益通過串口配置遍歷所有增益配置，頻譜儀測量出功率輸出大小，計算出對應的增益，和理論配置的輸出對比，看是否一致。S105 節點用濾波器輸出調制VCO 頻率，VCO 頻率會在中心頻率向正負兩端偏離，偏移量影響的是TX 的調制指數。S106 發射的雜散測試分析的是諧波的頻率分量，諧波分量示意如圖9 所示，主要防止對其他設備產生干擾。通過該設計高效測量出諧波（Spurrious Emissions）的值，通過控制寄存器變量自動調整參數，直到掃出符合一些認證要求的設定值。S107 節點相位噪聲的自動化測試完成的是振蕩器設計時間內頻率穩定度的參數。通過頻譜儀的相噪（Phase Noise）功能，基于載波功率和噪聲功率，通過自動化測試完成需求的參數曲線，對其噪聲值進行指標判定后，調整參數進行噪聲補償以獲取模塊數據，相位噪聲的測試數據如圖10 所示，其中BW 表示寬帶。

圖9 諧波頻率分量示意

圖10 相位噪聲數據

圖7 中S108 節點輸出信號的帶外噪聲測試按照發射雜散要求分析。由于射頻前端非線性器件很容易產生雜散諧波，芯片內部設計的電源電路也會引起雜散信號，通過自動測量諧波雜散信號大小以及外部硬件修改反復調試驗證。自動化測試可以提高測試效率，調整優化電路寄存器控制，從而測試出一組抑制效果較好的軟硬件參數匹配。如果人工調試，效率會非常低，高度自動化測試很大程度改善了測試的效率及反復數據的整理。

經上述測試介紹和用例的實施說明，本設計除了自動化測試系統，還有一般產品的通用性，不需要專業的藍牙測試裝備，只需要頻譜儀、信號源加上支持串口調試及電源控制就可以完成所有的發射與接收性能測試，更方便研發工程師的日常調試測試。

3 結 論

利用儀表的可編程接口，通過配置模塊對發射測試模塊和接收測試模塊進行配置，通過對發射測試模塊和發射模塊的不同性能指標進行測試，實現了對藍牙芯片中不同模塊的自動化測試，有利于節約藍牙芯片測試工作所需的人力，將復雜的流程簡單化、后期的維護工作集中化、資源公開化，從而提升藍牙芯片各類性能指標的驗證效率，為芯片項目開發保駕護航。本測試裝置系統方案可實現芯片端的模塊驗證，結合系統級測試有助于覆蓋藍牙芯片的主要性能指標的驗證及驗收，從而評估藍牙芯片的成功程度，使其能夠適用于各類不同型號藍牙芯片的測試。