中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

無線通訊收發器量測實務與研究

RF Transceiver Testing Implement and Research

系 所 別：電機工程學系 碩士班 學號姓名：M09601011 儲新正 指導教授：田 慶 誠 博士

中 華 民 國 九十九 年 八 月

摘要

本論文主要針對無線通訊收發器（Transceiver）的量產測試技術作完整地描述並 加入實機量測加以驗證，並且對測試電路部份進行設計實現。此測試電路著重於無線 通訊收發器的各項基本測試項目以及 LNA Noise Figure 和 LTE 的 EVM 量測方法在 自動化量測機台之實現。在自動化量產測試技術有別於一般使用儀器量測，必需要讓 所有量測項目能在一片測試電路板上一次測量完成，而且要求測試時間盡可能短，通 常在數秒的時間內達成。本篇論文中所採用的自動化測試機台為惠瑞捷公司的 V93K Port Scale RF 測試機台。

關鍵字︰無線通訊收發器，自動化測試，量產測試

ABSTRACT

This treatise is focus for RF transceiver mass-production test method. It is included the introduction of ATE (Automatic Testing Equipment) structure, additional a really case that implement the testing board and development the testing program on the ATE. The major testing circuit is for RF transceiver basic testing items, especially for LNA Noise Figure and LTE EVM test method implement on ATE. The ATE testing is different from general purpose RF testing instruments. It should design a testing board which can test all testing items on one testing board and finish all items testing at one time. The testing time also requested as shorter as possible, normally it is around several seconds. The used ATE is the V93K Port Scale RF tester of company Verigy.

Keywords: Transceiver, ATE, LTE

目錄

摘要 ...i

ABSTRACT ...ii

目錄 ...iii

表目錄 ...v

圖目錄 ...vi

第一章 序論 ...1

1.1 研究前言 ... 1

1.2 研究目的 ... 1

1.3 研究方法與流程 ... 2

第二章 自動化測試機台系統架構說明 ...3

2.1 自動化測試機台簡介 ... 3

2.2 自動化測試機台結構概觀 ... 4

2.3 直流子系統 ... 7

2.4 數位邏輯子系統 ... 7

2.5 類比信號子系統 ... 9

2.6 射頻子系統 ... 11

第三章 LTE 系統簡介 ...19

3.1 LTE 是什麼? ...19

3.2 LTE 的相關規格 ... 20

3.3 LTE 使用的頻率 ... 21

3.4 LTE 下鏈(Down Link)多工使用 OFDMA 技術... 22

3.5 LTE 上鏈(Up Link)多工使用 SC-OFDM 技術 ... 22

第四章 LTE 射頻收發器電路架構與測試項目 ...24

4.1 LTE 射頻收發器電路架構 ... 24

4.2 測試項目 ... 25

4.3 雜訊指數 Noise Figure ...26

4.6 頻率精確度 ... 32

4.7 相位雜訊[10] ... 32

4.8 接收器增益（Rx MX BBA Gain） ... 33

4.9 接收器電路雜訊指數量測（Rx MX BBA Ｎoise Figure）[11]... 33

4.10 發射器輸出功率量測（Tx Output Power Level） ... 34

4.11 鄰近通道洩漏率（Adjacent Channel Leakage Ratio） ... 34

4.12 向量誤差度量測（Error Vector Magnitude）[12] ... 35

第五章 測試電路及實體設計 ...37

5.1 LTE 射頻收發器測試電路架構 ... 37

5.2 實體電路 ... 38

5.3 相關治具 ... 39

第六章 測試電路實機驗證 ...41

6.1 自動測試機台射頻組態設定 ... 41

6.2 自動測試機台類比基頻組態設定 ... 43

6.3 接收機信號驗證 ... 45

6.4 接收機雜訊指數信號驗證 ... 46

6.5 低雜訊放大器雜訊指數信號驗證 ... 47

6.6 向量誤差度量測信號驗證 ... 48

6.7 接收機向量誤差度量測信號驗證 ... 49

6.8 接收機向量誤差度量測信號探討 ... 50

6.9 發射機鄰近通道洩漏功率信號驗證 ... 52

6.10 量測結果與分析 ... 53

第七章 結論與未來展望 ...54

參考文獻 ...55

表目錄

表 2.1 直流電源子系統的電壓電流規格 ...7

表 2.2 Pin scale 400 的資料傳輸率規格...8

表 2.3 任意波形產生器的規格 ...9

表 2.4 數化器的規格 ...10

表 2.5 射頻埠特性優化型態表 ...16

表 2.6 射頻子系統的頻率規格 ...17

表 3.1 LTE 的基本規格 ...20

表 3.2 LTE 可能使用的頻帶 ...21

表 4.1 射頻測試項目 ...25

表 6.1 測試項目實測結果列表 ...53

圖目錄

圖 2.1 V93K Port Scale RF 的整體外觀 ...4

圖 2.2 V93K Port Scale RF 的測試頭外觀 ...5

圖 2.3 測試頭上的各項測試資源配置圖 ...6

圖 2.4 Pin scale 400 數位邏輯子系統的板件示意圖...8

圖 2.5 射頻信號子系統 ...11

圖 2.6 射頻信號產生器(Source Card)及 Frond End Card 的照片...12

圖 2.7 RF Frond End Card 的結構圖 ...13

圖 2.8 高功率輸出路徑 ...13

圖 2.9 Bridge path ...14

圖 2.10 量測自待測物反射回來的信號 ...15

圖 2.11 量測待測物輸出信號 ...15

圖 2.12 測試頭上的射頻連接器配置圖 ...17

圖 2.13 自動化測試機台的量測概念圖 ...18

圖 3.1 行動通訊演進圖 ...19

圖 3.2 OFDMA 技術與 OFDM 技術的差別 ...22

圖 3.3 SC-OFDM 技術與 OFDM 技術的差別...23

圖 4.1 LTE 射頻收發器電路架構 ...24

圖 4.2 放大器的雜訊比 ...26

圖 4.3 Y-Factor Method...28

圖 4.4 S-Parameter 定義及其意義 ...31

圖 4.5 向量網路分析儀量測原理 ...32

圖 4.6 ACLR 鄰近通道洩漏率 ...35

圖 4.7 EVM 的定義 ...36

圖 5.1 測試電路架構 ...37

圖 5.2 實體電路 ...38

圖 5.3 量產測試座頻率特性 ...39

圖 5.4 射頻連接器與測試頭的連接組件 ...40

圖 6.1 自動測試機台的射頻組態設定一 ...41

圖 6.2 自動測試機台的射頻組態設定二 ...42

圖 6.3 自動測試機台的數化器組態設定 ...43

圖 6.4 自動測試機台的任意信號產生器組態設定 ...44

圖 6.5 接收機輸出信號 ...45

圖 6.6 接收機雜訊指數信號 ...46

圖 6.7 自動化測試機台的信號源 ENR 值校驗結果 ...47

圖 6.8 白色雜訊的頻譜 ...47

圖 6.9 自動化測試機台的向量誤差度量測 ...48

圖 6.10 接收機的向量誤差度量測 ...49

圖 6.11 接收機的輸出 I/Q 互相對調的向量誤差度量測 ...50

圖 6.12 基頻迴路的調變信號與接收機的調變信號頻譜比較 ...51

圖 6.13 發射機的臨近通道洩露功率量測頻譜 ...52

第一章 序論

1.1 研究前言

最早的收音機、電視到現在無線電話、無線網路、藍牙、3G 無線上網、數位無線電 視廣播、全球衛星定位系統等的應用已經無所不在，也給我們帶來很大的方便甚至影 響到我們的生活型態跟方式。這些基本上要歸功於通訊技術及相關零組件製造、量產 技術的進步使成本能降低到最後的成品售價到達每個人都可以輕鬆負擔的程度。在射 頻 IC 的量產程序中測試佔了相當重要的角色，也影響出貨品質。如何能測的快又好 又穩定一直是射頻量產的研究課題。

而在近年資料傳輸量需求越來越高的情況下 WiMAX 及 LTE 等號稱 4G 的第四代規 格也已經開始進行實驗性部署或商業運轉，相信在不久的幾年後市面上將充斥著相關 的產品及服務。當然相關的測試技術也要配合產品的演進而進步。

1.2 研究目的

傳統 RF 儀器量測方式是針對所要量測的參數，分別使用不同的儀器分開分次量 測，像是 S-parameter 需使用向量網路分析儀，如果要量頻域特性像是諧波失真或是 交互調變失真則需要信號產生器搭配頻譜分析儀做量測。如果待測物是主動元件，還 需要電源供應器以及一些相關控制電路。如果要整合相關儀器及電路成可程式自動化 機台。硬體上需要透過 GPIB 界面連接到每一部儀器及可程式控制界面卡來達成。軟 體上可以用 C 語言開發環境或美商國家儀器的 Lab View 開發環境來建構。在這種方 式整合出來的測試機台在針對像是射頻功率放大器等較單純的元件量測有一定的成 本優勢，在生產效率上也有一定的表現。但是在現今 SOC (System On Chip) SIP(System On Package)盛行，IC 整合度越來越高，RF 元件與 DAC/ADC 及 Base Band 部份整合 成一顆 RF SOC 的產品也越來越常見。在這樣的狀況下傳統的儀器整合方式已經不適 用於高整合度、多信號接腳的 SOC 或 SIP 量產量測。

本篇論文主要研究目的是在自動化測試機台上實現 LTE 無線收發器的量產測試 電路板設計及相關測試技術的實現及驗證，此測試電路著重於無線通訊收發器的各項

基本測試項目以及 LNA Noise Figure 和 LTE 的 EVM 量測方法。

1.3 研究方法與流程

要在自動化機台上開發測試解決方案，首先要對測試機台有足夠的認識。所以本 篇論文第二章針對自動化量測機台的基本組成結構及相關規格做介紹。針對待測物:

LTE 無線收發器，我們必需要瞭解收發器的結構及相關測試項目及代表的意義，因為 LTE 是近年來所新提出的規格。所以第三章針對 LTE 的相關基本規格做介紹。第四 章針對待測物 LTE 無線收發器的結構及測試項目做介紹。在瞭解自動化測試機台的 結構及待測物的結構還有相關測試需求後，我們必需設計測試電路將兩者做結合才能 做測試。所以，第五章是介紹如何實現測試電路板的設計及實做。第六章是在自動化 測試機台上實際寫程式進行實作驗證相關測試項目及所得參數。

第二章 自動化測試機台系統架構說明

2.1 自動化測試機台簡介

有別於一般單獨功能量測儀器，自動化量測機台是整合了直流電源供應器、電流 電壓錶、邏輯信號產生器、邏輯信號分析儀、任意波形產生器、數化器、可程式控制 介面等功能，為了能做高速量產測試所製作出來的機台。而近年來射頻積體電路的測 試需求越來越高，所以像是射頻信號產生器、向量網路分析儀、頻譜分析儀、甚至向 量信號產生器、向量信號分析儀的相關功能也被整合進去。 以下就這次所使用的惠 瑞捷公司的 V93K port scale RF 機台作介紹。因為機台的規格非常的多，這裡僅就重 要部份摘要做介紹。本章所用的圖、表，除了圖 2.2，均出於惠瑞捷公司 V93K 機台 的相關文件。[1][2][3]

2.2 自動化測試機台結構概觀

圖 2.1 為 V93K Port Scale RF 的整體外觀。所有的板件都插在前方的測試頭內部。

採用水冷式散熱系所以機台運作時十分安靜，不會有一般機台風扇吵雜的聲音。主要 的控制工作站主機則放在後面的機箱裡透過光纖網路與測試頭的電路連接。

圖 2.1V93K Port Scale RF 的整體外觀

圖 2.2 為 V93K Port Scale RF 的測試頭外觀。中間淺黃色的部份就是 RF 信號連 接的部份，射頻連接器是採用 SMP 型式可垂直插拔。左右兩邊是提供直流電源、數 位邏輯信號量測、類比信號量測及可程式化控制界面等測試資源連接使用。這部份使 用的是探針式連接器，可以直接接觸到測試電路板的接觸點再連接到待測物。

圖 2.2 V93K Port Scale RF 的測試頭外觀

圖 2.3 為測試頭上的各項測試資源配置圖。三位數數字的部份是數位邏輯測試通 道接點槽位，每一組數字代表十六個測試通道，最多可以到 2048 個邏輯測試通道。

DPS 1~8 是代表可程式化直流電源及電壓電流量測通道槽位，每一組包含八個獨立通 道，全插滿可以到 64 組。Utility 1~8 是代表可程式化控制界面槽位，每一組有十六 個通道可用，一般我們用來控制像是繼電器或是一些低速的控制信號。中間圓型部份 為射頻連接器，最多可以到 48 或 96 個 SMP 連接器，視搭配的板件決定。紅色框的 部份表示一般我們製做的測試電路板大小，並不會用到整個測試頭的資源。如果待測 物的信號接腳很多或者是採用多顆待測物平行測試時，有機會用到整個測試頭的資 源。這個部份必需在測試板規劃階段先進行評估所用到的資源數量來做決定。常見的 測試機台資源，數位邏輯通道通常為 384 個，直流電源 16 或 24 組，可程式化控制界 面通道 64 個，射頻通道 24 個。另外還有任意信號產生器及數化器通道各四組，這會 佔用到數位邏輯通道的編號 231 的位置。

圖 2.3 測試頭上的各項測試資源配置圖

2.3 直流子系統

表 2.1 為直流電源子系統的電壓電流規格。每通道最大正負 8V，電流最大正 4A，

最大負電流 1.5A。最小電流檔位為正負 10uA。精確度到正負 10nA。

表 2.1 直流電源子系統的電壓電流規格

2.4 數位邏輯子系統

在 V93K 的數位邏輯子系統板件，細分有多種規格如 Pin scale 400，Pin scale 800，

Pin scale 3600 ， 分 別 代 表 其 操 作 的 最 大 資 料 傳 輸 率 (data rate) 依 序 為 400Mbps,800Mbps,3.6Gbps 所以可以涵蓋相當多的高速邏輯界面的測試。圖 2.4 為 Pin scale 400 數位邏輯子系統的板件示意圖，每片板件提供 64 組測試通道，分成四組分 別接到測試頭的槽位。圖裡藍色的部份是所謂 double density 的配置，在同樣測試板

大小的前提下可以提供雙倍的量測資源。但是在實務上比較少這樣做。

圖 2.4 Pin scale 400 數位邏輯子系統的板件示意圖

表 2.2 是 Pin scale 400 的資料傳輸率規格，在電壓振幅小於 1V 時可以超頻到 533Mbps，時鐘頻率(clock rate)可以到 266MHz。

表 2.2 Pin scale 400 的資料傳輸率規格

2.5 類比信號子系統

在 V93K 的類比信號子系統，主要型號為 MBAV8(Multi Band Audio/Video 8 Card)，在一片板卡上建有任意波形產生器及數化器各四組獨立通道，輸出及輸入信 號可用程式設定選用單端(Single End)或差分(Differential)方式。

表 2.3 為任意波形產生器的規格，最大採樣頻率為 200MHz。解析度為 16bits。

輸出電壓範圍為 2.5Vpp，可以搭配衰減器調整輸出電壓到想要的準位。輸出阻抗為 50ohm。另外內建 1.5MHz、15MHz 的低通濾波器。

表 2.3 任意波形產生器的規格

表 2.4 為數化器的規格，最大採樣頻率為 110MHz。解析度為 16bits。輸入電壓 範圍為最大+-2Vpp，最小+-0.125V。輸入阻抗為可程式選擇 50 Ohm 或 10K Ohm。

在自動化測試機台，任意波形產生器及數化器扮演非常重要的角色，特別是在配 合後面要介紹的射頻子系統來達成相關的數位調變信號源的產生及待測物的輸出信 號量測等應用都需要透過他們來完成。一般的做法是把調變信號的波形資料輸入到任 意波形產生器，由任意波形產生器的輸出連接到射頻信號產生器做調變升頻成為測試 信號再送到待測物如射頻接收電路的輸入端，而接收電路的輸出則連接到數化器，轉 成數位資料再透過快速傅立葉轉換(FFT)等數位信號處理程序來取得所需量測參數。

如果是發射機電路則反其道而行。相關運用方式在後面射頻子系統及第五章有說明。

表 2.4 數化器的規格

2.6 射頻子系統

如圖 2.5 所示，在 V93K 的射頻子系統是由射頻信號產生器、RF Frond End Card 及類比信號子系統所構成，類比子系統除了連接到測試頭的槽位，任意信號產生器的 輸出還接到信號產生器的第一台和第二台做為調變信號源，成為射頻訊號發射系統。

數化器的輸入則連接到 RF Frond End Card 的中頻輸出，成為射頻訊號量測系統。

圖 2.5 射頻信號子系統

圖 2.6 為射頻信號產生器(Source Card)及 Frond End Card 的照片，這些都已經被 整合成板卡的型式，不再像是一般我們所常見的儀器外觀。

圖 2.6 射頻信號產生器(Source Card)及 Frond End Card 的照片

前面有提到自動化測試機台把向量網路分析儀、頻譜分析儀、向量信號分析儀等 功能整合起來，這部份主要是透過 RF Frond End Card 內部的架構來達成這些功能。

圖 2.7 為 RF Frond End Card 的結構圖，主要分為多工器部份(Mux Board)及兩組信號 源/量測模組(Source/Meas Module 1/2)等三個部份，兩組信號源/量測模組的功能都相 同。

圖 2.7 RF Frond End Card 的結構圖

圖 2.8 紅色部份為高功率輸出路徑，透過內建的功率放大器來達成，最大可以輸 出 20dbm。

圖 2.8 高功率輸出路徑

圖 2.9 紅色部份為 Bridge path，藍色部份為量測信號路徑，經過混頻器和另一台 信號產生器(LO)降頻到中頻再經過低通濾波器到數化器轉成數位資料再經過信號處 理來獲得量測資料。

圖 2.9 Bridge path

圖 2.10 紅色部份為為量測自待測物反射回來的信號，由圖中可以看到這部份 Module 1 跟 Module 2 是共用彼此的混頻器路徑來達成，Module 1 是負責量發送信號 的部份，Module 2 是負責量反射信號的部份。透過圖九跟圖十，我們可以看到這樣的 結構可以達成向量網路分析儀的功能。

圖 2.10 量測自待測物反射回來的信號

圖 2.11 紅色部份為為量測待測物輸出信號，視信號的強弱，可以選擇經過衰減 器或是經過低雜訊放大器(LNA)，信號一樣經過降頻器轉成中頻後到數化器轉成數位 信號再由數位信號處理技術獲取量測資訊。透過這樣的方式我們可以在機台量達成頻 譜分析儀甚至向量信號分析儀的功能。

圖 2.11 量測待測物輸出信號

以上所提到的相關射頻路徑為”1A1”,”1B1”,”2A1”,”2B1”。如表 2.5 所示，這四組 都具有雙向的能力，也就是說可以當信號源也可以量測。不過”1A1”,”1B1”可以輸出 大功率信號，他的規劃是對信號源功能作優化，所以通常我們會用來接待測物的輸入 端。”2A1”,”2B1”則是對量測功能做優化，有低雜訊放大器路徑適合量測小信號，通 常用來接待測物的輸出端。另外還有”3A1”,”3B1”兩組路徑只具有射頻信號源的功能。

表 2.5 射頻埠特性優化型態表

Module 2 的功能與 Module 1 相同，所以加起來一片 RF Frond End Card 總共有 12 組射頻埠可用，但是因為功能設計不同，所以在測試規畫階段必須要針對待測物 的量測需求來決定連接的方式。

圖 2.12 顯示在測試頭上的射頻連接器配置圖，每一個資源都有固定的位置，在 所有機台都通用。一般常見的機台有兩片 RF Frond End Card 的配置所以有 24 個射頻 埠可供運用。

圖 2.12 測試頭上的射頻連接器配置圖

表 2.6 所列為射頻子系統的頻率規格，最高到 6GHz 可以涵蓋一般常見的應用頻 率範圍。

表 2.6 射頻子系統的頻率規格

綜合以上所述，我們可以得出一個在自動化測試機台的量測概念圖，如圖 2.13 所示。這樣的架構在高頻的部份可以提供射頻信號源及射頻信號量測，在低頻類比信 號部份，任意信號產生器、數化器提供信號源及量測的功能。數位部份提供數位信號 產生及邏輯分析儀的功能。當然還有直流電源及量測的部份。所以他可以符合射頻收 發器及 RF SOC/RF SIP 的所需量產測試需求。

圖 2.13 自動化測試機台的量測概念圖

第三章 LTE 系統簡介

3.1 LTE 是什麼?

LTE 字面上的意思是 Long Term Evolution，也將會是第四代 4G 行動通訊的標準。

如前所述現代無線通訊技術的進步，對於資料傳輸速度的需求越來越高，LTE 就是這 樣一個要逐漸取代目前 3G/3.5G 通訊系統的一個業界的標準。如圖 3.1[4]所示，目前 3G/3.5G 的通訊技術是根基於 WCDMA 發展出來的，但是這樣的延續有它的侷限，

就是傳輸速率問題。而 LTE 標準的提出就是要打破這樣的限制。由圖 3.1 可以看出 LTE 將在未來的幾年逐漸取代現有系統。

圖 3.1 行動通訊演進圖[4]

3.2 LTE 的相關規格

表 3.1 LTE 的基本規格[5]，使用正交分頻多工存取技術(OFDMA)及 64QAM 等調 變技術以及更寬的通道頻寬(20MHz)來達到高傳輸速率的目的。下載傳輸速率規格是 由 75Mbps 開始，配合多通道發射接收技術(MIMO)更可以倍數增加。

表 3.1 LTE 的基本規格[5]

3.3 LTE 使用的頻率

表 3.2 列出 LTE 可能使用的頻帶[5]，在分頻多工(FDD)的部份收跟發使用不同的 頻率。紅線框起來的部份是這次待測物使用的頻帶。

表 3.2 LTE 可能使用的頻帶[5]

3.4 LTE 下鏈(Down Link)多工使用 OFDMA 技術

圖 3.2 列出 LTE 使用的 OFDMA 技術與 OFDM 技術的差別[6]在於 OFDMA 可以 動態配置 Subcarriers 給不同的使用者，藉由這種方法不只達到可以讓多使用者分享同 一頻寬的功能，而且可以利用別人沒用到的頻寬，可以增加傳輸速度提升效率。

圖 3.2 OFDMA 技術與 OFDM 技術的差別[6]

3.5 LTE 上鏈(Up Link)多工使用 SC-OFDM 技術

圖 3.3 指出 LTE 使用的 SC-OFDM 技術與 OFDM 技術的差別[6]在於傳統的 OFDM 技術是每一個調變信號放在各自的 subcarrier，而 SC-OFDM 是把一個調變信號拆成 十二份同時放在相臨的十二個 subcarrier 上，而本來用 subcarrier 隔開的不同調變信 號，變成用前後不同時間來區隔。這樣做的好處在於可以減少 PAPR 的問題，減少射 頻輸出級功率，可以達到省電的目的，這也是 LTE 的一個規格上的優勢。由此亦可 知在做 LTE 數位調變信號測試時，接收機電路與發射機電路用要用相對應的調變信 號做測試，才能量到正確的結果。

圖 3.3 SC-OFDM 技術與 OFDM 技術的差別[6]

第四章 LTE 射頻收發器電路架構與測試項目

4.1 LTE 射頻收發器電路架構

如圖 4.1 的紅框所示，待測物是一顆 LTE 射頻收發器。有兩組接收器，每組接收 器都支援 2110MHz~2170MHz 和 2620MHz~2690MHz 兩個頻段。每組接收器輸入端 都經過 SAW filter 接到前端的低雜訊放大器輸出端，低雜訊放大器的輸入端則接到射 頻前端模組(FEM)或是經過帶通濾波器到接收天線。接收器為零中頻(Zero IF)的架 構，輸出端為類比 I/Q 信號，連接到基頻電路(BB IC)的類比數位轉換器(ADC)。發射 器部份只有一組，支援 1710MHz~1980MHz 及 2500MHz~2570MHz 兩組頻段，分別 輸出。

圖 4.1 LTE 射頻收發器電路架構

出類比 I/Q 信號共有四對差動信號。發射器的部份，輸入類比 I/Q 信號共有兩對差動 信號。輸出共有兩對差動信號輸出。本地振盪器(LO)的部份，發射部份有兩組及接收 部份有兩組，總共有四組不同頻率的振盪器。控制信號的部份使用 SPI 界面，接到基 頻電路的控制信號接腳。

4.2 測試項目

相關射頻測試項目如表 4.1。後面的篇幅會針對相關項目做解釋。

表 4.1 射頻測試項目

4.3 雜訊指數 Noise Figure

雜訊指數是什麼? 圖 4.2[7]說明當一個輸入信號進入放大器之後輸出的信號被放 大的倍數為增益(Gain)同時信號附近的雜訊也同時被放大，不幸的是除了輸入的雜訊 被放大，而且放大器本身也貢獻了雜訊造成輸出信號雜訊比比原來輸入的還要差。式 (4-1)所示的 F 即為放大器的雜訊指數。S_i代表輸入信號功率，N_i代表輸入雜訊功率，

S_o代表輸出信號功率，N_o代表輸出雜訊功率，G 代表增益，N_a代表放大器貢獻的雜 訊功率。

圖 4.2 放大器的雜訊比[7]

雜訊與溫度的關係如式(4-2)其中 k 為波茲曼常數，T0為雜訊源的絕對溫度，常溫 一般約 290 度 K，B 為雜訊頻寬。式(4-3)為室溫下的雜訊功率。將式(4-2)代入式(4-1) 可得到式(4-4)。

(4-1)

考慮一組兩級放大電路，我們可以得到式(4-5)。其中 N_o代表最後的輸出雜訊功 率，N_a2代表第二級貢獻的雜訊，N_a1代表第一級供獻的雜訊，G₂代表第二級的增益，

G₁代表第一級的增益。由式(4-5)可以得到式(4-6)，將式(4-6)N_o代入式(4-1)我們可以 得到整個兩級放大電路的雜訊指數如式(4-7)。

由式(4-7)推廣到 n 級放大器，可以得到式(4-8)，其中 Fsys為整個系統的雜訊指數。

由式(4-8)我們可以看出很重要的結論就是如果第一級的增益 G1夠大，則整個系統雜 訊指數會近似於第一級的雜訊指數，而後面的放大器雜訊指數可以被忽略。所以第一 級的雜訊指數必須要越低越好，增益要夠大才能讓整個系統的雜訊指數降低。

(4-2)

(4-3)

(4-5) (4-4)

(4-6)

(4-7)

(4-8)

4.4 雜訊指數量測 Y-Factor Method[8][9]

如圖 4.3 所示，Y-Factor Method 是在待測物(DUT)的輸入端接到一組雜訊源的輸 出，該雜訊源可以送出不同等效溫度的雜訊，Tc及 Th，在輸出端則量測其對應的雜 訊功率 N1及 N2，圖中 Na帶表待測物本身的雜訊，可以轉換成雜訊等效溫度 Te。G 為待測物的增益。

圖 4.3 Y-Factor Method

式(4-9)定義 Y factor，式(4-10)定義 Te 為帶測物雜訊功率的等效溫度。式(4-11) 定義 N₁為用 T_C(等效低溫)時的雜訊源所量到的功率。式(4-12)定義 N₂為用 T_h(等效高 溫)時的雜訊源所量到的功率。將式(4-11) 式(4-12)代入式(4-9)可以得到式(4-13)，由 式(4-13)，由式(4-13)可以推出(4-14)。

(4-9)

(4-10)

(4-11)

將式(4-1)改寫成式(4-15)，其中 TO代表常溫 290 度絕對溫度。將式(4-14)代入可 以推導出式(4-16)。

由式(4-16)的結果來看，只要知道 Th、TC、Y 的值就可以算出待測物的雜訊指數。

實際在量測時，會由一標準件當雜訊源，雜訊源會列出所謂 ENR 值供儀器量測時做 運算。式(4-17)定義 ENR(Excess Noise Ratio)值。通常雜訊源的 TC即定義為室溫 TO

所以 TC=TO，式(4-16)可以寫成式(4-18)。而一般所用的雜訊指數是取對數單位(dB) 如式(4-19)所示。

(4-12)

(4-13)

(4-14)

(4-15)

(4-16)

(4-17)

(4-18)

(4-19)

4.5 散射系數

散射系數(S-parameter)為基本的射頻量測項目，用來表示待測物的特性與頻率的 關係。如圖 4.4，S11/S22 其意義分別代表待測物的輸入端及輸出端阻抗匹配的情形，

S21/S12 代表待測物對信號的放大特性或衰減特性。通常我們使用向量網路分析儀來 量測散射系數。如圖 4.5 所示，向量網路分析儀是透過內建的方向耦合器(Directional Coupler)來達成反射信號量測的目的。表示單位為 dB。

圖 4.4，S-Parameter 定義及其意義

圖 4.5 向量網路分析儀量測原理

4.6 頻率精確度

在通訊系統中，訊號都有其規範的頻寬，如果頻率的精確度不佳，會造成信號的 飄移，如此會造成系統同步、解調發生問題。而頻率精確度也是本地振盪器的一項特 性指標。

4.7 相位雜訊[10]

相位雜訊為本地振盪器的重要的特性指標，相位雜訊的發生肇因於時域上的不穩 定及雜訊，造成信號在頻域上向臨近頻率偏移。考慮一個理想無雜訊信號，如式 (4-20) ，加入隨機雜訊之後變成如式(4-21)，這會造成振盪器的信號在頻譜上展開，

如果相位雜訊過大將會影響輸出信號的品質導致無法正確解調，或是對鄰近通道造成 干擾。相位雜訊的表示單位為dBc/Hz。一般相位雜訊的量測可由頻譜分析儀或專用的 信號分析儀來量測。

v(t) = Acos(2πf

t). (4-20)

v(t) = Acos(2πf

t +ψ(t)). (4-21)

4.8 接收器增益（Rx MX BBA Gain）

接收器增益，參考圖十七，為整個接收器從射頻差動輸入電路到混頻器電路降頻 到基頻再經過多級放大器到輸出 I/Q 信號，整組電路的增益值量測。通常使用信號產 生器送一個正弦波測試信號到待測物輸入端，最後在 I/Q 信號輸出端接到頻譜分析儀 量測輸出信號大小，減去測試信號的大小即為接收器增益值，通常以 dB 為單位。因 為接收機各級增益可調，所以針對不同組態如最大增益、最小增益等，會有多組增益 量測項目。

4.9 接收器電路雜訊指數量測（Rx MX BBA Ｎoise Figure）[11]

和低雜訊放大器量測方式不同，在自動化測試機台是使用所謂的 Cold Noise measure method[11]的方式來做量測，其前提是放大器的增益非常大或者是貢獻的雜 訊功率非常大，則雜訊指數可改寫為式(4-22)。

將式(4-22)取對數單位後，改寫為式(4-23)。其中 NF 為 Noise Figure 雜訊指數，

No 為量到的雜訊功率，k 為波茲曼常數，To 為 290 度絕對溫度，B 為雜訊頻寬，G 為接收器增益。而式(4-23)可再簡化為式(4-24)，其中 174dBm/Hz 為 k*To，No 則根 據雜訊頻寬 B 轉為 dBm/Hz。

(4-22)

(4-23) (4-24)

4.10 發射器輸出功率量測（Tx Output Power Level）

發射器電路可以透過不同設定值而有高低不同的輸出功率，此測試項在檢測發射 器的輸出功率控制是否符合規格，是發射器電路的重要測試項目。通常測試方法為在 發射機的基頻類比 I/Q 輸入端輸入指定的正弦波信號 f1，在輸出端量測輸出信號頻率 f_o的功率大小是否符合規格，若 f_LO為本地振盪頻率，則 f_o=f_LO+f₁。輸出功率量測一 般使用頻譜分析儀來量測。

4.11 鄰近通道洩漏率 （Adjacent Channel Leakage Ratio）

如圖 4.6 所示， 因為發射電路的非線性特性，在發射機輸出的數位調變信號除了 調變信號本身所在的頻帶會有信號輸出，另外在上下鄰近頻帶也會有較低功率的衍生 信號出現，這會對鄰近通道產生干擾，所以必須控制衍生信號的功率在相關規格以 下。這是數位調變發射器的重要量測規格。本測項可由具有通道功率(Channel Power) 量測功能的頻譜分析儀來量測。和 4.10 發射器輸出功率量測的不同處在於其為單點 頻率量測，而本量測是把數位調變輸出的整個頻寬功率做量測。如果是過於老舊的頻 譜分析儀則不具此量測能力。

圖 4.6 ACLR 鄰近通道洩漏率

4.12 向量誤差度量測（Error Vector Magnitude）[12]

數位信號調變可能出現許多問題，而向量誤差度則是一個很好的量測方法。EVM 是指對照一個完美、理論性的信號，來量測實際的信號。這種量測可以讓我們掌握信 號的品質，以瞭解接收機是否能夠正常接收信號。許多調變問題都會對信號的 EVM 產生負面的影響。如放大器的非線性度、濾波器、本地振盪器的相位雜訊等因素，都 會使 EVM 提高。而本測項也是數位調變收發器的必測項目之一。圖 4.7 為 EVM 的 定義。式(4-25)為 EVM 的算式，通常取其 RMS 值。一般 EVM 的量測必須同時搭配 使用向量信號產生器來產生測試信號。量測必需使用向量信號分析儀。根據不同的應 用選用相對應的調變規格及解調設定。

圖 4.7 EVM 的定義

(4-25)

第五章 測試電路及實體設計

5.1 LTE 射頻收發器測試電路架構

份用到兩組任意信號產生器的輸出，四組數化器的輸入，在控制界面部份，使用四個 數位邏輯通道，負責重置信號(Reset)及 SPI 三線式串列傳輸界面(Clock, Data, Enable)。

圖 5.1 測試電路架構

5.2 實體電路

實體電路如圖 5.2 所示，射頻匹配電路放在靠近待測物的附近。 另外為了提高 待測物輸出信號的頻率精確度，還設計了除頻電路，由機台供應參考信號給待測物，

達到與測試機台頻率同步的目的。除了圖 5.1 的電路架構，另外在任意信號產生器到 數化器有設計一組類比信號迴路(BB to BB loop back)以驗證機台本身類比基頻的 EVM 特性。在射頻的部份有拉一條 RF to RF loop back 電路，用途在於驗證機台本身 RF to RF 的 EVM 特性。兩旁的鍍金貫孔接點底面的部份則用來與測試頭的連接器相 接觸。

圖 5.2 實體電路

5.3 相關治具

在圖 5.2 中間黃色部份為量產用測試座，頻率特性如圖 5.3 所示，其 S11 頻率特 性到 4.26GHz 為-10dB，可以涵蓋待測物的最高頻率 2.690GHz。

圖 5.3 量產測試座頻率特性

圖 5.4 為射頻連接器與測試頭的連接組件部份。可以看到 SMP 纜線一頭接到電 路板的 SMP 連接器，另一頭固定在連接組件上。這連接組件部份在測試板放上測試 頭後會跟測試頭的連接器接在一起。

圖 5.4 射頻連接器與測試頭的連接組件

第六章 測試電路實機驗證

6.1 自動測試機台射頻組態設定

圖 6.1 及圖 6.2 為自動測試機台的射頻組態設定，也就是實際上機台與測試電路 的射頻通道連接方式，圖 6.1 為第一片 Frond End Card，主要連接四組低雜訊放大器，

使用”1A1”, ”1B1”, ”2A1”, ”2B1”, ”1C1”, ”1D1”, ”2C1”, ”2D1” 等連接埠。另外連接接 收器的輸入端，使用”3A1”, ”3B1”, “3C1”, ”3D1” 等連接埠。圖 6.2 為第二片 Frond End Card，主要連接發射器輸出，接收器本地振盪器輸出及提供參考頻率到除頻器的輸入 端。

圖 6.1 自動測試機台的射頻組態設定一

圖 6.2 自動測試機台的射頻組態設定二

6.2 自動測試機台類比基頻組態設定

圖 6.3 為自動測試機台的數化器組態設定，共有兩組組態，第一組接到接收器一 的 I/Q 輸出，第二組接到接收器二的 I/Q 輸出。在此畫面可以設定輸出電壓檔位，取 樣頻率及點數，以及輸入阻抗，低通濾波器等。

圖 6.3 自動測試機台的數化器組態設定

圖 6.4 為自動測試機台的任意信號產生器組態設定，接到發射機的 I/Q 輸入，同 樣的在此畫面可以設定輸出信號的取樣率，電壓，輸出波形資料等。

圖 6.4 自動測試機台的任意信號產生器組態設定

6.3 接收機信號驗證

析。由此可以判斷接收器是否正常工作，如果接收器設定錯誤或是信號源設定錯誤則 可能量不到信號或是量到失真的信號。如果輸出信號準位過小則相對雜訊會變大，有 可能影響到最後量測值的穩定性。

圖 6.5 接收機輸出信號

6.4 接收機雜訊指數信號驗證

圖 6.6 為與圖 6.5 的差別在於接收機的輸入端接到 Frond End Card 上的 50Ohm 終 端器。所以只有雜訊輸出。根據式(4-24)，我們可以算出接收器的雜訊指數。為什麼 不直接用圖 6.5 主信號旁邊的雜訊準位來做計算?我們可以看到圖 6.5 的主信號旁邊的 雜訊準位較更旁邊的雜訊來得高，這是訊號源的相位雜訊造成的，對量測的正確性會 有影響，而且也不符合式(4-24)的假設是常溫 50Ohm 的雜訊源。

圖 6.6 接收機雜訊指數信號

6.5 低雜訊放大器雜訊指數信號驗證

圖 6.7 為自動化測試機台本身的雜訊指數及信號源 ENR 值校驗結果，因為 Frond End Card 沒有內建專用的雜訊源，所以用白色雜訊波形經過任意信號產生器輸出到射 頻信號產生器調變升頻後來當做雜訊源的功能。預設 ENR 值為 15dB，實際量到的為 14.97dB，我們要用實測值做為程式計算的依據。圖 6.8 為白色雜訊經過快速傅利葉 轉換後的頻譜。

圖 6.7 自動化測試機台的信號源 ENR 值校驗結果

圖 6.8 白色雜訊的頻譜

6.6 向量誤差度量測信號驗證

圖 6.9 為自動化測試機台經過基頻迴路的向量誤差度量測。可以看出 EVM 值為 0.86%，符合小於 1%的要求。

圖 6.9 自動化測試機台的向量誤差度量測

6.7 接收機向量誤差度量測信號驗證

圖 6.10 為接收機的向量誤差度量測。可以看出 EVM 值為 5.12%。

圖 6.10 接收機的向量誤差度量測

6.8 接收機向量誤差度量測信號探討

圖 6.11 為接收機的輸出 I/Q 互相對調的向量誤差度量測。可以看出 EVM 值高達 46.21%，量測值完全不合理。

圖 6.11 接收機的輸出 I/Q 互相對調的向量誤差度量測

圖 6.12 為類比基頻迴路的調變信號頻譜與接收機的調變信號頻譜比較，可以看 出上面的基頻回路的信號比較接近理想頻譜，下面的接收機的輸出有直流成份而且頻 率響應並不平坦。

圖 6.12 基頻迴路的調變信號與接收機的調變信號頻譜比較

6.9 發射機鄰近通道洩漏功率信號驗證

圖 6.13 為發射機的臨近通道洩露功率量測頻譜。使用 10MHz QPSK Uplink 的調 變信號，實際的量測頻寬設定各為 9MHz，與兩邊的頻譜距離 1MHz。

圖 6.13 發射機的臨近通道洩露功率量測頻譜

6.10 量測結果與分析

表 6.1 為測試項目實測結果列表。量測值為同一顆待測物重覆測試後取最大最小 值及平均值並計算標準差(Sdev)，由列表可看出量測值相當的穩定，除了相位雜訊測 項因為信號值過低造成量測值變動較大，其他測項的標準差均小於 1dB。

表 6.1 測試項目實測結果列表

第七章 結論與未來展望

在自動化測試機台開發射頻量產測試，在經過仔細的驗證調校之後，可以得到快 速穩定的量測結果而能適用於量產測試，而且可透過減少測試時間來達到降低測試成 本的目的。此次量測的待測物為射頻收發器，只有四根數位控制信號，在 V93K 的機 台上面只用了少數的數位邏輯通道，對於這種機台的數位邏輯量測功能來說只是牛刀 小試，只用到最基本的功能。隨著積體電路的進步，實務上 RF SOC 或者是 RF SIP 都已經越來越多，在這些高度整合的待測物中，將包含數位類比轉換器及類比數位轉 換器，高速數位界面像 PCIe，DDR 等操作頻率已經到達射頻等級，而信號接腳動輒 以數百根計，在這樣高速又高信號接腳的待測物的量測，要同時考慮數位信號量測及 射頻信號量測又要能互相不受干擾，這將會是更高難度的挑戰，本論文在此只為拋磚 引玉希望對相關測試有所貢獻。

參考文獻

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