无线射频模块校准

1、WIFI等无线产品产品为什么要校准?

        在通常情况下,在大批量生产无线发射、接收设备时,如GSM手机、cdma手机、wcdma手机、WLAN、bluetooth时,为什么都需要对这些产品进行校准?这是由于生产这些无线发射、接收设备时,所用元器件的绝对精度通常不足以满足设备频率、功率电平和其它参数的性能目标。因此,顺理成章,降低系统性能偏差的方式之一就是使用更加昂贵的、精度更高的、一致性更好的元器件。但是,在现实情况下,每个无线设备生产厂商都刻意要给用户提供价廉物美的产品,因此在成本的压力下,设计人员通常不会选用昂贵的、精度更高的、一致性更好的元器件作设计,而是走到了相反的方向,这样校准就成为研发生产中不可或缺的一环,它会极大地减少无线发射、接收设备对元器件的要求,降低材料成本,最终降低整个无线发射、接收设备的成本。

        而WIFI产品由于802.11X协议栈要求、法规要求的功率大小限制、与其他网络共存的要求等,需要严格控制传输功率。另外,WIFI目前使用5.8GHz频段,后期还将使用6G、60G这样的高频频段,频率越高对进度要求就越高,因此对元器件的一致性要求更高,因此更需要校准的环节。

2、WIFI的关键校准参数

(1)、频偏

        目前通常的无线设备,不论是GSM手机、cdma手机、wcdma手机、WLAN、或者bluetooth,都是将发射机、接收机集成为一体,且用内部晶体振荡器,在压控振荡的控制下合成所需要的接收和发射各个信道上的中心频率。发射信道上的中心频率是否准确,直接关系到你生产出的无线设备所发射出去的信号,是否会被其它接收设备正确识别、解调出来。反之亦然,如果你生产出的无线设备接收信道的中心频率不准,它也是无法对接收到的、需要的信号作正确识别和解调。同时,如果你生产出的无线设备所发射出去的信号中心频率不准的话,在多用户系统中,还可能会极大的干扰别人。

        不论是GSM、cdma,wcdma、还是WLAN、bluetooth,协议对信道(包括接收和发射)的中心频率都尽可能设计成线性,而频率合成的线性设计较易实现,但在批量生产时,所有生产出的产品,在所有信道上都能达到协议所要求的频率精度,这对硬件设计是个挑战。因此这些无线设备一般都设计一个数字压控振荡来保证发射和接收频率的精度,校准频率的全部物理含义就是精确的实测出数字压控振荡的斜率和节距,将此数学模型写入设备中。设备在正常工作时,按照此模型计算出控制数字压控振荡的数字控制量,来调谐发射、接收频率,使之达到其协议要求精度。

        前文已提到信道(包括接收和发射)的中心频率是线性的,且线性设计容易实现,因此频率校准只需在一个信道上校准即可,至于是校准发射信道的频率,还是校准接收信道的频率,这与厂家的设计有关,但它们的校准方法略有不同。

(2)、发射功率

        在多用户系统中,协议一般会对设备所发出的信号功率电平有一个较为严格的、复杂的要求,这是由于如果设备所发出的信号功率电平偏低,那么在噪声环境或多径情况下,通信质量会变得很差,影响用户自己的正常使用;如果设备所发出的信号功率电平偏高,那么这会严重影响到其它用户的通信,直至降低系统的用户容量。因此GSM、cdma、及其3G的协议对发射功率电平都有要求和控制,而普通元器件(尤其射频元器件)的一致性、精度、线性都不是很好,因此发射功率的校准是极其重要的。

        功率电平校准一般分为两大类,一类是功率输出线性校准,这类校准是非常重要的,且是非做不可的。在做这种校准时,一般是在一个指定的信道上,从高功率到低功率作较为完整的校准,这种校准是为了保证设备能准确输出系统所要求的各个功率电平,修正无线设备输出的非线性。这类校准与设计有非常大的关系,不同的设备设计方案,其校准方案也不同,但大致可分为两种。其中一种校准方案需在多次测试后,建立功率电平输出数学模型,按照这个数学模型去校准设备,求出每个设备自己的、较为准确的功率电平输出公式;另一种校准方案则是用补偿数组的办法,精确测出为达到各个功率电平,所应施加的激励。其中建立数学模型的方式的校准过程比较短,速度比较快,但校准精度没有采用补偿数组的办法高。

        功率电平校准的另一大类是输出功率与频率响应的校准。在作这种校准之前,无线设备,不论是GSM、cdma,wcdma、还是WLAN、bluetooth,在不同的信道上所输出的功率电平并不是很一致、很平坦的,这是由于无线设备从产生基带信号到射频发射这部分电路的频率响应可能会有些抖动或变化,这些抖动或变化导致设备在不同信道上发射功率不是很一致、很平坦,为了弥补在不同信道上的输出功率电平的这种“抖动”,应对无线设备在不同信道上的功率输出作不同的“补偿”。这种校准至少在三个以上的信道上来完成,分别是高频率、中频率、低频率的信道。实际校准中,为了减少这种由于频向导致的误差,会选择更多的信道。与前一种功率电平校准相比,这种校准只是在指定信道上做某个功率电平的简单校准。当然,现在很多设备,在设计时已可以尽可能的保证输出频率响应,因此这些设备在实际生产时,并不是都要校准频率响应,如果要做这个校准,当然最好是在功率输出线性校准之后再作频率响应校准。

(3)、接收信号强度

        为保证通信质量和越区切换,实现动态频率选择或系统功率控制功能。基站一般要求移动台报告所接收到信号强度,以便系统作出正确的选择和决定。因此移动台所报告的接收信号强度是否准确,直接关系到整个通信系统的性能。RSSI(接收信号强度)的校准与功率电平校准非常类似,它一般也分为两大类校准,一类为RSSI(接收信号强度)精度的校准,另一类就是由于移动台对不同频率的输入信号的响应不同,所引起的RSSI(接收信号强度)误差的校准,因此很多厂家也把这种校准称之为RSSI信道补偿校准。

        由于目前手机,尤其是GSM手机,RSSI(接收信号强度)的测量各个厂家都有各自的设计,因此RSSI(接收信号强度)精度校准也是各有各的方法,但大体原理是一致的,那就是为了保证在不同大小的接收信号下,在解调前信号大小是一致的,电路中都会有个AGC电路,AGC工作时的放大倍数与RSSI(接收信号强度)成线性比例关系;因此校准AGC的放大倍数,保证AGC的输出结果,就是在对RSSI(接收信号强度)精度校准,目前大多数厂家都把RSSI(接收信号强度)精度的校准说成是AGC校准,本文以后也延续这个叫法。AGC校准的方法一般是施加一个已知大小的信号给移动台,由移动台报告接收信号强度(RSSI),移动台报告的接收信号强度(RSSI)与真实值的误差,就是AGC的误差,从这点也可以看出,AGC的校准是要通过移动台RSSI的报告来完成的。AGC校准的原理虽然大体相似,但不同厂家,其AGC电路的设计是不同的,故AGC校准要校准的具体内容,校准的具体方式和方法是有很大差别的。

        正如前文所述,RSSI信道补偿校准是为了克服由于频率响应所造成的误差,因此不论是哪个厂家,RSSI校准方案大体都是相同的:在不同的信道上,在相同的外部输入信号下,移动台报告的RSSI(接收信号强度)的误差,作为各个信道的RSSI(接收信号强度)的补偿值。值得注意的是,一般厂家都要求,在作RSSI校准前,都要先做AGC的校准,关于这个要求也是容易理解的。

3、WIFI性能的关键参数

发射功率;

接收灵敏度;

矢量误差EVM;

频率误差;

频率平坦度;

频率稳定时间;

发射频谱模板;

4、校准过程

校准无线设备的大体流程
    1)、通过计算机将无线设备设为测试模式;
    2)、配置各种仪表,形成校准的无线环境;
    3)、设置仪表和无线设备,使之进入要求的状态;
    4)、让仪表(或无线设备)发出无线信号;
    5)、让无线设备(或仪表)进行测量,并读取测量值;
    6)、重复步骤3到5,得到一组测量结果(有些时候,有些项目不需要重复步骤3到5);
    7)、基于测量值进行计算,得到某项指标的校准结果;
    8)、将测量结果写入无线设备(有些时候,有些项目不执行此步);
    9)、重复步骤2到8,完成所有项目的校准;
    10)、将所有的校准结果写入无线设备;

        在以上流程中,有些校准是不需要执行第十个步骤的,倒不是说不需要将校准结果写入无线设备,恰恰相反,如果不把校准结果写入无线设备中,校准是起不到作用的,不需要执行第十个步骤的原因是,在执行步骤八时,就已经把所有的校准结果写入无线设备里了。

        众所周知,flash的写入一定是块写入,因此将校准结果写入无线设备的flash里时,一定要特别注意,应先将块内的数据读出,再修改要写入地址里的数据,最后,把整块数据再写入flash里。当然,现在很多无线设备已把这块内容放在无线设备自己内部中了,或者用函数给封装起来了,在作校准系统时,有时并不容易发现这个过程。但是在作校准系统时,如果发现把数据写入无线设备后,校准并没有起到应有的作用,或者无线设备不工作,要重新给无线设备灌装软件才工作,那多半是在将校准结果写入无线设备时出了问题。

5、校准设备和软件

        常用的WIFI校准设备厂家有:Litepoint、IQview、Itest等,其中Itest是深圳的厂家,设备稍微便宜一些。

校准无线设备一般有两种解决方案:
(1)、用中测仪的方案
    1、计算机:控制无线设备,执行校准过程。
    2、综测仪:给无线设备提供各种无线环境、测量无线设备所发出信号的功率、频率等。

(2)、前文已述,校准无线设备是在测试模式下,因此校准不一定要用测仪,当然用测仪校准更快更容易。
    1、计算机:控制无线设备,执行校准过程。
    2、功率计:测量无线设备所发出信号的功率。
    3、信号源:给无线设备提供各种无线信号。
    4、频谱分析仪:测量无线设备所发出信号的频率,有些校准方案的频率校准是在接收信道上校准,此时,只需有信号源即可,不需频谱分析仪。

        以上两个方案繁简自明,但方案二最大好处是,有可能充分利用你现有仪表,无须再投资。

       各WIFI模块厂商都有提供自己的测试、校准软件,比如:

Atheros的art-radio,https://github.com/gwlim/art-radio

TI的ti-utils,https://github.com/gxk/ti-utils

 这些工具都能让WIFI模块进入测试模式或开发模式,从而配合软件工具下发命令进行发射、接收、频率等等测试。

6、是否每个模块都需要校准?

        目前的WIFI模块生产厂家有两种方式,方式一是生产出一批货后,挑几个模块做校准,然后挑选一个性能居中的校准参数,拷贝到所有模块中,然后抽检一些模块,如果抽检都合规,即可出货。如果抽检不合格,就需要检查来料的一致性。一般情况来料都是一个批次的、对性能要求不是极端严格的情况下,都可以采用这种办法。如果更换了物料或批次,则可能需要重新来一遍前文叙述的过程。

        另一种方式就是每个模块都校准,这种方式通常用于工业级或专业级WIFI模块生产厂家,校准环节比较耗时,会降低大约20-30%的生产效率,当然专业级的WIFI模块用量一般不是很大,因此也能接受。

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