手持移动设备的FM测试及发射机设计特性测试

 

     在今天的手持设备中，FM主要用于收听FM广播。但是，如果采用FM传输，这些设备还能将存储的数字音乐用广播的方式发送到附近的FM接收机，例如汽车娱乐系统。当然，现在FM很可能成为高端移动设备的功能之一。如何把宽带FM信号测试做得足够彻底、快捷，成本足够低廉以使设备成本增加得最少并且保持较高的设备质量和用户满意度，是移动设备制造商必须面对的问题。


缺乏测试标准

虽然业内缺乏宽带FM信号指标的官方标准，但也存在一些共同点。例如，所有国家通常使用VHF无线电频谱（通常为87.5~108.0MHz），但有的国家也使用另外的VHF频带。电台带宽通常为100kHz，“中心”频率要么以100kHz的连续奇数倍（北美、南美、加勒比）或偶数倍（欧洲某些地区，亚洲和格陵兰岛）增加。对于单个频道则基本一致（见图1）。单声道广播（右声道和左声道合并）约占15kHz，立体声广播的导频信号固定位于19kHz，立体声声道（左声道和右声道）范围从23kHz到53kHz。RDS，即数字广播数据业务（57kHz），可用于传输窄带数据信号，剩余的频带用于直接频带和其它副载波业务。

图1 FM的典型频道是100kHz，其频谱划分如图所示

各国许可证签发机构制定发射信号的频率稳定度、频谱纯度等特征指标。事实上的接收标准已出现在常规设备中。例如，信噪比（SNR）或信纳比[（信号+噪声+失真）/（噪声+失真），SINAD]可以得到最小输入功率电平，如果低于该电平SNR或SINAD将低于26dB。RDS块误码率（BLER）表示包含一个或多个不可纠正误码的数据块占全部接收数据块的百分数，通常限于5%或更低。总的来说，并没有规定设计和制造过程中需要测试的特性。相反，设计工程师可以较灵活地设置设计和制造的极限参数。因此，任何测试方法都需要覆盖合理范围的值以支持更宽的应用范围。


接收机设计特性的一致意见

高端FM芯片、模块、参考设计和设备的设计工程师通常认可11项接收机测试（见图2）。除SNR、SINAD和BLER之外，还包括接收信号强度指示（RSSI）、接收灵敏度、AM抑制、立体声平衡、杂散响应/镜像抑制、总谐波失真（THD）、导频抑制和三阶截点（IP3）。

图2 这11项测试已成为FM芯片、模块、参考设计和设备设计阶段的主要测试项

RSSI值

RSSI反映设备接收到平均功率的强度，它通常使用检测器或模数转换器（ADC）测量在设备中频（IF）级或基带的功率。实质上，我们需要确定一个已知功率信号发送到设备所产生的RSSI值符合规定的范围。从测试角度看，这需要一个已知频率、调制和功率的信号源，再将设备的测量结果与信号源对比。

RDS灵敏度/块误码率

这是一种盲算，即只通过接收机完成测量无需了解测试设备实际发送的数据。接收机使用RDS协议的编码机制区别正确数据位和错误数据位并进行校正。RDS灵敏度/块误码率是具有一个或多个不可校正比特位的接收数据块数与接收数据块总数的比值。

该测试的指标阈值典型值是5%，这决定了设备输入端的接收功率电平，如果低于此电平那么BLER≥5%。这里，测试系统将根据RDS协议提供已知功率调制的FM信号，并且当误码率高于指定阈值时设备上就会有显示。

接收灵敏度、SNR、THD和SINAD

接收灵敏度通过输入已知功率的FM信号进行测量，同时跟踪SNR（或SINAD）直至它低于某个阈值（SNR的阈值通常是26dB）。对于SNR，我们在设备音频输出端测量有用信号与带内噪声的比值。某些滤波器，如A加权、C加权和ITUR 468（见图3）等，可用于抓取的音频数据中，以分析测试某些特定指标。

图3 在分析SNR时，可以使用某些滤波器并根据具体要求获得结果

测量SINAD时需要考虑失真因素。类似于THD测量设备音频输出端带内谐波引起的失真，SINAD测量采用同样的测试流程但使用不同的分析函数分析THD测试采集的数据。在THD和SINAD两种情况下，测试仪提供FM信号和音频信号（通常为1kHz）并采集设备音频输出用于后处理。

AM抑制

在AM抑制测试中，我们希望测量FM接收机对信号调幅的抑制能力。在衰落过程中，发射机失真和其它条件会使FM信号变为幅度调制。为了测试抑制调幅的性能，我们向设备提供具有已知AM调制（例如30%）的FM信号，因此设备接收的信号同时具有FM和AM特性。通过测量设备的音频输出电压，并且去掉AM之后再测一次，我们就能测量输出电平的比值，即抑制的度量。

立体声平衡

立体声平衡用于估计设备在左声道和右声道之间保持信号平衡的能力。进行立体声平衡测试时，我们先发送一个左、右声道音频电平相等的信号，然后分别测量左声道和右声道的音频输出电平。两个声道的音频输出功率电平的差就是不平衡的度量。

杂散响应/镜像抑制

在理想条件下，FM接收机仅响应有用信号而且完全抑制镜像信号和杂散信号。然而，镜像信号或杂散会产生较小而且有限信号响应。杂散响应/镜像抑制测量设备抑制镜像频率及其它杂散信号的能力。实际上，设备的音频输出仅用有用信号测量，然后有用信号和表示镜像或杂散的信号同时输入，测量音频输出的改变并与首次测试结果比较得到抑制比。

导频抑制

立体声信号（包含分立的左声道和右声道内容）是基于19kHz导频信号产生的。接收机一旦检测到这个信号就会在23kHz～53kHz范围来解调信号，而不是在单声道信号频段（30Hz～15kHz）。不管怎样，导频信号不应在23kHz～53kHz频带范围内产生音频信号。然而，导频却会产生一个很小的有限信号，所以必须让它低于某个阈值。一种测试导频抑制的方法是发送一个1kHz音频的FM信号至设备并采集音频输出。分析此音频输出，1kHz音频信号的功率与19kHz导频信号的功率的比值即为抑制比。

三阶截点-IP3

三阶截点是失真的度量。IP3代表基频（f1，有用信号）功率与3阶互调产物（2f1-f2和2f2-f1）功率相等的点（虚拟点）。这里，配置设备进行SNR或SINAD测量并输入FM信号（f1）得到SNR或SINAD读数。然后，输入CW（未调制）信号（f2）至该设备并且f1和f2的功率从同等功率起点开始以相等步长增加直至达到灵敏度的临界点。FM音频的功率电平即为IP3截点。


发射机设计特性的一致意见

发射端需要进行的测试更少（见图4）。

图4 上面列出的七项测试全面反映了FM发射的设计性能

这七项测试包括最大发射功率、频率/调制率准确度、BLER、发射频谱、占用带宽、SNR和THD。

最大发射功率

最大发射功率测试用于确认设备产生的功率信号电平符合规定的最大阈值（通常从0～+5dBm）。在测试中，让设备以最大RF功率电平发射。接收信号并测量其功率，然后与规定的最大值比较。

频率/调制率准确度

这里，让设备在规定频率上发送具有相等左声道和右声道音频内容的FM信号，接收此信号并解调，测量接收信号的频率并与规定的发射频率比较。此外，接收信号解调后得到音频输出并且在整个信号带宽上平均得到中间频率。假定发射的右声道和左声道音频内容相等，那么测量的载频不应有明显差别。

RDS BLER值

该测试实质上与接收端的测试相同，除了让设备发送符合RDS协议的信号并且测试仪和分析软件都应跟踪块误码率。

发射频谱

这里，让设备以最大功率发送FM信号，然后接收此信号并在频域分析以确认此信号限制在频道频谱内。该测试没有限制最小带宽，但是接收频谱至少达500kHz或以上就够了。

占用带宽

结合发射频谱，占用带宽表示包含99%发射信号功率的带宽。

SNR和THD

与接收测试类似，可以通过测试系统测量发射信号的SNR（包含或不含滤波器加权）。采用1kHz音频信号调制的信号还可用于分析THD。


设计测试与制造测试

设计时需要进行完整详尽的测试，这时对设计好坏进行验证是首要目标。完成设计验证后，测试项目就可以缩减（见图5）。这些测试只要能检验出产品在生产过程中是否出了问题即可：

图5a 在制造中，接收端的测试缩减至5项

图5b 制造过程中的发射测试基本上没有改变，因为所有这些测试项目将找到制造的缺陷

集成数字音频接口（I2S）

在上文的测试描述中，假定设备输出的是模拟音频信号（RSSI除外）。虽然以前和现在模拟音频信号都是主要的设备输出信号类型，但随着传统音频听筒和耳机被蓝牙耳机替代，I2S接口将越来越受欢迎。此外，如果最终产品采用处理器，那么I2S数据可以直接送至处理器进行数字音频处理，如加入环绕立体声或者均衡参数等。

在测试应用中，I2S总线提供准确定义的接口，支持与测试设备之间传输“纯净”的数字信号。以这种方式，设备真实性能的测量不受加在模拟接口上的模拟损伤（例如噪声或失真）的影响。

I2S总线由3条线路组成，分别是：
· 时钟（SCK）
· 字选（WS）
· 数据（SD）

该总线是双向的，用于将接收机（或发射机）设定为主（时钟发生器）或从（时钟接收器）。该时钟频率典型值为2.5MHz（周期为400ns）并且逻辑电平定义为VL<0.4V和VH>2.4V。如果使用较低的逻辑电压，就用较低的电平。

尽管大多数情况下FM测试系统只需处理模拟音频输出，但是更完整的测试方案是既能单独处理模拟或者I2S，又能同时处理两者的测试仪。

苛刻的测试时间和测试成本

正如上文所述，了解测试项目和如何测试很重要，但最关键的是确保测试时间最短并且测试成本最低。根据上文的介绍，我们完全可以用信号发生器和频谱分析仪进行测试。而且，在时间允许的研发环境中，使用分立仪器就足够了。

然而，制造环境下时间和成本都非常关键，因而需要使用流水线程度更高的方法。例如，包含信号发生和调整设备控制的测试系统必然能简化处理复杂度并缩短处理时间（见图6）。

图6 图中的测试方案使用计算机分析和调整设备控制，利用测试仪提供FM、CW和FM/AM输出信号并用接口设备将模拟音频信号转换为数字信号以供计算机分析软件使用

使用I2S信号的系统与使用模拟音频输出的系统很相似，区别在于前者的接口模块能接收和生成I2S信号（见图7）。

图7 接口模块能接收和生成I2S数字数据，无需将模拟转换为数字而且消除了可能出现在模拟输出信号中的模拟损伤的影响

如果测试仪能生成并混合多个信号，还能用各种音频信号对RF信号进行频率调制，它就能组合一些设计和制造测试并得到多个测试结果。通过利用数字化的测试数据和使用高效的分析软件，我们可以在几秒钟之内评估测试并能消除设置或“读”数据中的人为误差。


Multicom测试系统实现FM测试


图8 LitePoint公司FM测试解决方案

下面以LitePoint公司IQ2010型Multicom为例说明如何实现FM测试（图8）。测试仪已内建了能覆盖FM测试频谱的矢量信号分析（VSA）和矢量信号发生（VSG）。当测试接收灵敏度时，IQ2010可产生具有以下特点的FM信号：1kHz音频信号、94.3MHz载频、22.5kHz最大频偏、50us预加重、30Hz~15kHz频段调制（例如单声道模式）。

VSG FM信号输入FM RX DUT，并且模拟音频输出送到音频接口模块。从该音频信号生成一个.wav文件并通过USB接口传至笔记本电脑。这里，LitePoint公司的音频分析软件能快速分析此.wav文件的信息并得到分析结果。音频接口模块还能接收来自DUT的I2S输出。同样，生成的.wav文件通过USB接口可以传到笔记本电脑。