采用虚拟仪器实现数字通信发射链路测试系统的设计

随着无线数字通信的迅猛发展，对于集成电路设计和测试提出了更多的挑战。在产品设计阶段，为了保证系统中射频和基带芯片的协同工作能力和兼容性，需要对系统进行严格的性能测试。然而，日益复杂的数字调制技术常常给面对紧凑的项目期限的设计团队带来更多的压力。所以，设计人员不仅要在短时间内完成系统的测试，还要尽快从测试结果中推断出造成问题的可能原因。本文提出一种全自动化的扫描测试方案，可以对数字通信系统发射链路两个关键参数EVM（ErrorVector Magni rude）和ACPR（Adjacent Channel PowerRatio）进行快速、准确地测量，以便在第一时间找到设计中问题所在。

1 数字通信发射链路测试

对于数字通信系统测试来说，绝大多数参数指标是在频域完成的，这就需要通过控制频谱分析仪和矢量信号分析仪进行测量。其中测量数字调制的质量对于保证数字通信系统正常工作和信息准确传递有着重要的意义。数字通信系统的调制指标主要有EVM，相位误差，IQ不平衡度等。

EVM是指某一瞬时理想参考信号和被测量信号矢量差值的模值。采用安捷伦矢量信号分析仪89600可以提供快速、高分辨率的频谱测量、解调和时域分析，来获得EVM的测量结果。

ACPR测量的是某一通信频段主信号能量有多少泄漏到相邻频段。它也是数字通信系统的重要指标，过大的功率泄漏会引起相邻频段之间的相互干扰。通常，我们最关注的是主要频段的信号功率和邻近频段功率的比值，通过控制频谱分析仪测量获得。

数字通信系统发射链路扫描测试是指针对某个参数，如增益、频点等的变化评估其对EVM和ACPR的影响。本文以发射链路增益自动功率控制扫描为例进行阐述。APC（Automatic Power Control）自动功率控制扫描是对发射链路中功率放大器驱动和上变频混频器的增益进行扫描，这些控制位在集成电路中通过特定的寄存器位来进行设置，LabVIEW通过SPI和I2C总线以特定的时序访问芯片上这些寄存器，实现读写控制功能，来改变发射链路增益，扫描测试框图如图1所示。

LabVIEW通过GPIB总线对频谱分析仪进行控制测量ACPR；使用ActiveX控件控制安捷伦89600矢量信号分析仪测量EVM参数。这个实时控制系统可以利用TCP／IP、GPIB协议功能来完成PC计算机和仪器间的双向命令传送。LabVIEW自动扫描程序前面板如图2所示。

根据扫描测试操作顺序面板分为两个部分：左边是从Excel表格读人使发射链路功率线形衰减的控制寄存器值；右边是对仪器参数进行的自定义设置以保证更高的测量精度。所以，整个LabVIEW程序操作可以分为4部分：从Excel表格中读取发射链路不同增益衰减情况下的寄存器值；将这些值通过SPI总线写入芯片相应的寄存器中改变发射链路增益（功率）；接着，自动调整仪器设置并从中读取测量参数EVM和ACP；将测量数据结果实时写入指定的Excel文件并存储以便后处理进行分析。

Excel Read.vi实现从打开的Excel文件指定工作表的指定行、列中读取寄存器预设值，并存入到LabVIEW的一个二维数据表中缓冲。这样的好处是可以及时更正APC的预设值，使测试灵活。本设计中这个动作通过图2中的“从Excel读取APC数据”按钮进行触发，使用一个LabVIEW的事件处理结构进行处理。

SPI_ Write.vi和SPI_ Read.vi通过LabVIEW对PC计算机并行接口进行编程，通过SPI三线控制完成和芯片之间的通讯。其中，并行接口控制是通过LabVIEW中的强大的I／O程序模块为基本操作单元实现的。

2 发射链路EVM自动化扫描

在通过更改寄存器值完成发射链路功率配置后，就需要控制矢量信号分析仪89600调整仪器设置，并读取扫描得到的EVM数据。LabVIEW完成对89600初始化后，为保证EVM自动测试精度需要对其做出如下配置，如图3所示。

首先，要激活89600显示频谱图的Trace B，如图4所示。并命令其纵轴进行自动调整以保证功率谱在仪器显示的合适位置上。

接着，激活频段功率测量模式（BandPower），按照前面板设定的“频带宽”参数，对频段功率的左、右边界频率进行设定。这时，LabVIEW就可以通过Band-PowerResult属性节点准确读取载波的的功率。

频段功率值对于调整仪器的Range参数和保证EVM精度有着至关重要的意义。Range参数调整的是仪器中模数转换器（Analog-to-digital converter）的输入信号范围，其值若是过大必然导致输入信号的严重失真而使EVM参数恶化；如果Range值太小则使EVM参数对于引入噪声过于敏感，同样导致不准确的测试结果。大量实测结果表明，当Range参数值的设定比以上测量得到的频段功率值大3 dB时，可以保证EVM的精确度。另外，由于LabVIEW编程中频段功率单位是dBm，而Range参数单位是电压峰值Vpk，所以在进行自动Range调整时程序需要通过相应算法进行单位转换，如图3中第2行结尾的框图所示。

在完成各种配置之后，就需要读取EVM等相应的测试结果。这通过临时建立一个文本文件“TempTable.TXT”读取89600中Trace D中的测量参数结果表格，并将其导入到LabVIEW中存储为一个数组变量，要读取测量参数只要指明参数所在的下标并读取参数即可，如图3中最后一行框图所示，下标6，8，18分别指向参量参数EVM、相位误差、相位误差峰值。最后通过LabVIEW把数据写入并存储到到一个CSV数据文件中以便进行数据处理分析。

3 发射链路ACPR自动化扫描

测量ACPR之前也同样需要对发射链路的功率进行配置并且手动将频谱仪调整到ACP测试模式下。但是不同的是，这个测量需要通过GPIB总线或TCP／IP协议使用SCPI指令通过VISA接口控制频谱分析仪进行，LabVIEW的框图如图5。

程序的最外面是一个While循环和事件结构用于选择触发哪种测试模式。在ACPR扫描测试模式下，_扫描通过For循环实现，次数由APC预定值表格的行数来确定。一个顺序结构被嵌套在For循环里实现分步骤操作控制，在第0，1帧通过更改芯片寄存器完成了发射链路的功率衰减配置，第2帧实现测量并存储数据。

LabVIEW中实现仪器访问是通过VISA接口实现的。在指明仪器的地址后，可以通过VISA的写模块发送SCPI指令，而通过读模块读取仪器的反馈信息。

首先，要标记载波的峰值功率，图5中“DISP：WIND：TRAC：Y：RLEV 8”指令将频谱仪的纵轴的参考功率设置为8 dBm，这样可以将频谱图压低在仪器显示界面中以便与后面的操作：使标记Marker1找到频谱中的峰值，并将其读取出来。

接着，还需要同样的命令将纵轴参考功率设置为-6 dBm，因为在整个扫描的过程中，发射链路的功率由0 dB衰减到-76 dB，在衰减很大的情况下，载波信号幅度已经很小，甚至可能被噪底所淹没，这就需要将整个仪器的频谱再次提高，以保证仪器ACPR计算的准确性。

最后，通过“FETC：ACP？”指令将仪器测量结果存储到LabVIEW的数组里面，同样通过下标指向要读取的参数并将其存储的CSV数据文件当中。

4 测试结果与分析

通过测试基于RDA8206的TD-SCDMA通信系统发射链路EVM和ACPR验证了所提出方法的正确性。实测扫描结果如图6，图7所示。

实例测试表明在发射链路功率衰减到-50 dB时仍能保证调制质量，所以EVM扫描可以直观的看出数字通信系统发射链路调制质量恶化情况分析造成问题的原因。

ACPR扫描可以用于分析载波信号功率泄漏相邻频段所造成的干扰状况。本文提出的方法在保证测量精度的条件下，相对手动操作可以将测试效率提高60％，充分发挥了自动化仪器仪表测试的优势。

随着无线数字通信的迅猛发展，对于集成电路设计和测试提出了更多的挑战。在产品设计阶段，为了保证系统中射频和基带芯片的协同工作能力和兼容性，需要对系统进行严格的性能测试。然而，日益复杂的数字调制技术常常给面对紧凑的项目期限的设计团队带来更多的压力。所以，设计人员不仅要在短时间内完成系统的测试，还要尽快从测试结果中推断出造成问题的可能原因。本文提出一种全自动化的扫描测试方案，可以对数字通信系统发射链路两个关键参数EVM（ErrorVector Magni rude）和ACPR（Adjacent Channel PowerRatio）进行快速、准确地测量，以便在第一时间找到设计中问题所在。

1 数字通信发射链路测试

对于数字通信系统测试来说，绝大多数参数指标是在频域完成的，这就需要通过控制频谱分析仪和矢量信号分析仪进行测量。其中测量数字调制的质量对于保证数字通信系统正常工作和信息准确传递有着重要的意义。数字通信系统的调制指标主要有EVM，相位误差，IQ不平衡度等。

EVM是指某一瞬时理想参考信号和被测量信号矢量差值的模值。采用安捷伦矢量信号分析仪89600可以提供快速、高分辨率的频谱测量、解调和时域分析，来获得EVM的测量结果。

ACPR测量的是某一通信频段主信号能量有多少泄漏到相邻频段。它也是数字通信系统的重要指标，过大的功率泄漏会引起相邻频段之间的相互干扰。通常，我们最关注的是主要频段的信号功率和邻近频段功率的比值，通过控制频谱分析仪测量获得。

数字通信系统发射链路扫描测试是指针对某个参数，如增益、频点等的变化评估其对EVM和ACPR的影响。本文以发射链路增益自动功率控制扫描为例进行阐述。APC（Automatic Power Control）自动功率控制扫描是对发射链路中功率放大器驱动和上变频混频器的增益进行扫描，这些控制位在集成电路中通过特定的寄存器位来进行设置，LabVIEW通过SPI和I2C总线以特定的时序访问芯片上这些寄存器，实现读写控制功能，来改变发射链路增益，扫描测试框图如图1所示。

LabVIEW通过GPIB总线对频谱分析仪进行控制测量ACPR；使用ActiveX控件控制安捷伦89600矢量信号分析仪测量EVM参数。这个实时控制系统可以利用TCP／IP、GPIB协议功能来完成PC计算机和仪器间的双向命令传送。LabVIEW自动扫描程序前面板如图2所示。

根据扫描测试操作顺序面板分为两个部分：左边是从Excel表格读人使发射链路功率线形衰减的控制寄存器值；右边是对仪器参数进行的自定义设置以保证更高的测量精度。所以，整个LabVIEW程序操作可以分为4部分：从Excel表格中读取发射链路不同增益衰减情况下的寄存器值；将这些值通过SPI总线写入芯片相应的寄存器中改变发射链路增益（功率）；接着，自动调整仪器设置并从中读取测量参数EVM和ACP；将测量数据结果实时写入指定的Excel文件并存储以便后处理进行分析。

Excel Read.vi实现从打开的Excel文件指定工作表的指定行、列中读取寄存器预设值，并存入到LabVIEW的一个二维数据表中缓冲。这样的好处是可以及时更正APC的预设值，使测试灵活。本设计中这个动作通过图2中的“从Excel读取APC数据”按钮进行触发，使用一个LabVIEW的事件处理结构进行处理。

SPI_ Write.vi和SPI_ Read.vi通过LabVIEW对PC计算机并行接口进行编程，通过SPI三线控制完成和芯片之间的通讯。其中，并行接口控制是通过LabVIEW中的强大的I／O程序模块为基本操作单元实现的。

2 发射链路EVM自动化扫描

在通过更改寄存器值完成发射链路功率配置后，就需要控制矢量信号分析仪89600调整仪器设置，并读取扫描得到的EVM数据。LabVIEW完成对89600初始化后，为保证EVM自动测试精度需要对其做出如下配置，如图3所示。

首先，要激活89600显示频谱图的Trace B，如图4所示。并命令其纵轴进行自动调整以保证功率谱在仪器显示的合适位置上。

接着，激活频段功率测量模式（BandPower），按照前面板设定的“频带宽”参数，对频段功率的左、右边界频率进行设定。这时，LabVIEW就可以通过Band-PowerResult属性节点准确读取载波的的功率。

频段功率值对于调整仪器的Range参数和保证EVM精度有着至关重要的意义。Range参数调整的是仪器中模数转换器（Analog-to-digital converter）的输入信号范围，其值若是过大必然导致输入信号的严重失真而使EVM参数恶化；如果Range值太小则使EVM参数对于引入噪声过于敏感，同样导致不准确的测试结果。大量实测结果表明，当Range参数值的设定比以上测量得到的频段功率值大3 dB时，可以保证EVM的精确度。另外，由于LabVIEW编程中频段功率单位是dBm，而Range参数单位是电压峰值Vpk，所以在进行自动Range调整时程序需要通过相应算法进行单位转换，如图3中第2行结尾的框图所示。

在完成各种配置之后，就需要读取EVM等相应的测试结果。这通过临时建立一个文本文件“TempTable.TXT”读取89600中Trace D中的测量参数结果表格，并将其导入到LabVIEW中存储为一个数组变量，要读取测量参数只要指明参数所在的下标并读取参数即可，如图3中最后一行框图所示，下标6，8，18分别指向参量参数EVM、相位误差、相位误差峰值。最后通过LabVIEW把数据写入并存储到到一个CSV数据文件中以便进行数据处理分析。

3 发射链路ACPR自动化扫描

测量ACPR之前也同样需要对发射链路的功率进行配置并且手动将频谱仪调整到ACP测试模式下。但是不同的是，这个测量需要通过GPIB总线或TCP／IP协议使用SCPI指令通过VISA接口控制频谱分析仪进行，LabVIEW的框图如图5。

程序的最外面是一个While循环和事件结构用于选择触发哪种测试模式。在ACPR扫描测试模式下，_扫描通过For循环实现，次数由APC预定值表格的行数来确定。一个顺序结构被嵌套在For循环里实现分步骤操作控制，在第0，1帧通过更改芯片寄存器完成了发射链路的功率衰减配置，第2帧实现测量并存储数据。

LabVIEW中实现仪器访问是通过VISA接口实现的。在指明仪器的地址后，可以通过VISA的写模块发送SCPI指令，而通过读模块读取仪器的反馈信息。

首先，要标记载波的峰值功率，图5中“DISP：WIND：TRAC：Y：RLEV 8”指令将频谱仪的纵轴的参考功率设置为8 dBm，这样可以将频谱图压低在仪器显示界面中以便与后面的操作：使标记Marker1找到频谱中的峰值，并将其读取出来。

接着，还需要同样的命令将纵轴参考功率设置为-6 dBm，因为在整个扫描的过程中，发射链路的功率由0 dB衰减到-76 dB，在衰减很大的情况下，载波信号幅度已经很小，甚至可能被噪底所淹没，这就需要将整个仪器的频谱再次提高，以保证仪器ACPR计算的准确性。

最后，通过“FETC：ACP？”指令将仪器测量结果存储到LabVIEW的数组里面，同样通过下标指向要读取的参数并将其存储的CSV数据文件当中。

4 测试结果与分析

通过测试基于RDA8206的TD-SCDMA通信系统发射链路EVM和ACPR验证了所提出方法的正确性。实测扫描结果如图6，图7所示。

实例测试表明在发射链路功率衰减到-50 dB时仍能保证调制质量，所以EVM扫描可以直观的看出数字通信系统发射链路调制质量恶化情况分析造成问题的原因。

ACPR扫描可以用于分析载波信号功率泄漏相邻频段所造成的干扰状况。本文提出的方法在保证测量精度的条件下，相对手动操作可以将测试效率提高60％，充分发挥了自动化仪器仪表测试的优势。

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