基于蓝牙芯片的射频测试装置及测试系统设计

韦 平

（思澈科技（上海）有限公司，上海 201210）

0 引 言

在蓝牙消费类电子产品的研究和开发过程中，蓝牙射频（Radio Frequency，RF）在产品级的应用上会遇见各种各样的问题，如连接配对不稳定、传输距离短以及抗干扰性能差等，这些问题的出现往往跟射频的性能指标相关。因此，在研发测试阶段，会对射频模块进行全面验证，确保及时发现芯片存在的问题。基于蓝牙芯片的射频测试装置及测试系统设计的开发，可以建立起高效的测试方案，降低风险成本，避免人为操作引入误差变量，使得芯片品质得以把控。

1 系统架构

基于蓝牙芯片的射频测试装置及测试系统结构如图1 所示，图1 测试装置及系统结构设计。

图1 测试装置及系统结构

主要分为4 大核心区：蓝牙芯片的测试装置、待测设备蓝牙芯片、射频信号发生装置以及分析射频信号的频谱仪[1]。其中蓝牙芯片的测试装置由4个模块区组成：配置模块、接收测试模块、发射测试模块及测试结果输出模块。本系统装置中重点开发了射频模块的2 大重要功能，即接收测试模块和发射测试模块。针对这2 个部分的射频模块，将芯片内部的各单模块进行拆分，发射和接收的结构如图2 所示。该系统设计了覆盖较为全面的测试用例。接收测试模块设计了自动增益控制、输入二阶交调截取点、输入三阶交调截取点、本振测试、噪声系数测试和预设压缩点测试单元模块。这些模块主要实现了接收机相关性能的测试[2]。发射测试模块主要设计了功率测试、调节功率控制测试、输出带宽测试、相位噪声测试、带外噪声测试单元模块，实现了发射机性能的测试[3]。

该设计满足了蓝牙射频接收和发射模块的主要性能指标的测试要求。同时这一设计可以尽可能预防人工操作带来的随机性问题，避免很多不稳定因素引起的芯片不良，如人工作操作带来静电、配置参数的遗漏等。通过软件算法的完备，该设计可以支持的测试项目会越来越多，研发工程师可以快速验证设计结果，进行调试验证[4]。实现芯片级自动化测试，解决人工手动测试效率低，容易出错等问题。

图2 发射和接收的结构

2 测试程序软件设计方案

射频接收测试主要任务是获取接收机相关模块性能的数据。通用编程接口分别控制通用接口总线（General-Purpose Interface Bus，GPIB）、局域网（Local Area Network，LAN）及串口（Uart 口）连接，通过MATLAB 程序控制蓝牙芯片、信号发生装置以及频谱仪工作，通过编程接口控制信号发生装提供信号源。利用串口接口获取相关的数据，进行格式存储，对所获参数进行数据分析[5]。其中蓝牙射频芯片接收测试程序流程如图3 所示。

图3 蓝牙射频芯片接收测试程序流程

2.1 射频接收模块的程序设计流程

从图3 可以看出，S203 节点设计自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）通过信号源产生输入及设定设计要求的带宽信号，经过电路输出随放大电路自动调整输出信号幅度。接收电路设计结构如图4所示，天线可以接收来自空间中特定方向的电磁波，依次经过发射/接收天线开关器（T/R switch)、低噪声放大器（LNA）、射频滤波器（RF filter）以及接收机压控放大器（VGA）输出信号，从而验证设计的增益变化，得出的数据生成相应的gain table，将表格的测试值应用到实际产品的不同测试场景中，发挥最佳的接收机性能。

从图3 可以看出，S204 和S205 节点二阶和三阶交调的测试，主要是评估交调产物落在带内对接收灵敏度产生的影响。信号源生成2 个载波信号，经过接收机电路，混频产生的信号对基带信号产品的干扰大小，二阶和三阶交调的产生机理如图5 所示。射频接收机采用射频-中频（RF-IF）信号处理电路，当载波信号被加入到接收机的天线输入端时，在RF 段混合产生了互调信号。这些信号频率干扰到接收机的工作频率时，会被当做同一频率的输入信号被RF-IF段和解调器处理。二阶和三阶交调信号测试是衡量射频器件线性度和失真性能的重要指标。系统测试装置能够快速测试出交调失真，评估出交调失真对系统的频谱利用率，估算误码率在系统应用上的影响。交调测试的指标越高，表示器件的线性度越好，失真越少。

图5 二阶和三阶交调示意

图5 中：ft为接收机调谐频率上的互调产物；f1、f2为有害大信号的频率。

若f1±f2=ft则为二阶互调失真；若2f1±f2=ft则为三阶互调失真。

图3 中的S206 节点本振泄露（LO leakage）通过控制指令配置接收机，频谱仪分析接收信号与VCO电路混频，产生固定的中频信号经过LNA 放大泄露到输出口或输入口的本振信号。如图6 所示。接收电路工作原理是信号经过射频滤波，低噪声放大后与本振（LO）混频，通过压控放大器产生IQ 信号。

图6 接收电路设计结构

S207 节点噪声系数（Noise Figure）的设计是利用噪声系数测试，使用噪声系数测量Y 因子法，频谱仪的噪声源是能产生2种不同噪声功率的噪声发生器。噪声因子的对数标度值：噪声系统（NF）=10×LOG（噪声因子F）。该设计主要通过控制DC 脉冲电源驱动电压，给噪声源+28 V 的直流电，当采用+28 V供电时，相当于噪声源开，称为热态，此时输出大的噪声功率；电源关闭时，相当于噪声源关，称为冷态，此时输出常温下的噪声功率。

S208 节点1 dB 压缩功率点测试，定义了1 dB 压缩点Pin-1dB：由于PA 非线性，当输入功率为Pin-1dB时，PA 的功率增益比线性情况低1 dB。输入与输出功率的关系如图7 所示，通过输入和输出功率的变化，测试出满足设计要求的压缩点。

图7 输入与输出功率的关系

2.2 射频发射模块的程序设计

射频发射模块的程序设计如图8 所示。

图8 蓝牙射频芯片发射测试程序流程

图7 中S103 节点进行发射功率的测试是射频经过PA 之后的输出功率。通过控制芯片输出，测量频谱仪输出频点的功率大小，全信道测试每个频点的发射功率，可以分析内部设计PA 的校准情况。S104 节点发射功率控制增益通过串口配置遍历所有增益配置，频谱仪测量出功率输出大小，计算出对应的增益，和理论配置的输出对比，看是否一致。S105 节点用滤波器输出调制VCO 频率，VCO 频率会在中心频率向正负两端偏离，偏移量影响的是TX 的调制指数。S106 发射的杂散测试分析的是谐波的频率分量，谐波分量示意如图9 所示，主要防止对其他设备产生干扰。通过该设计高效测量出谐波（Spurrious Emissions）的值，通过控制寄存器变量自动调整参数，直到扫出符合一些认证要求的设定值。S107 节点相位噪声的自动化测试完成的是振荡器设计时间内频率稳定度的参数。通过频谱仪的相噪（Phase Noise）功能，基于载波功率和噪声功率，通过自动化测试完成需求的参数曲线，对其噪声值进行指标判定后，调整参数进行噪声补偿以获取模块数据，相位噪声的测试数据如图10 所示，其中BW 表示宽带。

图9 谐波频率分量示意

图10 相位噪声数据

图7 中S108 节点输出信号的带外噪声测试按照发射杂散要求分析。由于射频前端非线性器件很容易产生杂散谐波，芯片内部设计的电源电路也会引起杂散信号，通过自动测量谐波杂散信号大小以及外部硬件修改反复调试验证。自动化测试可以提高测试效率，调整优化电路寄存器控制，从而测试出一组抑制效果较好的软硬件参数匹配。如果人工调试，效率会非常低，高度自动化测试很大程度改善了测试的效率及反复数据的整理。

经上述测试介绍和用例的实施说明，本设计除了自动化测试系统，还有一般产品的通用性，不需要专业的蓝牙测试装备，只需要频谱仪、信号源加上支持串口调试及电源控制就可以完成所有的发射与接收性能测试，更方便研发工程师的日常调试测试。

3 结 论

利用仪表的可编程接口，通过配置模块对发射测试模块和接收测试模块进行配置，通过对发射测试模块和发射模块的不同性能指标进行测试，实现了对蓝牙芯片中不同模块的自动化测试，有利于节约蓝牙芯片测试工作所需的人力，将复杂的流程简单化、后期的维护工作集中化、资源公开化，从而提升蓝牙芯片各类性能指标的验证效率，为芯片项目开发保驾护航。本测试装置系统方案可实现芯片端的模块验证，结合系统级测试有助于覆盖蓝牙芯片的主要性能指标的验证及验收，从而评估蓝牙芯片的成功程度，使其能够适用于各类不同型号蓝牙芯片的测试。