未来就在这里：Teledyne e2v的四通道ADC是5G NRATE和现场测试
摘要
在过去的20年中，无线技术已从3G迅速发展到4G，如今已进入5G时代。开发过程中一直存在一个技术问题，即高频设备的自动校准测试。
RF ATE和现场测试系统面临的最困难挑战是校准，可重复性和测试结果的相关性。未来无线技术的发展需要5G NR设备。 Teledyne e2v的四通道多输入端口ADC利用非并行的片上高频交叉点开关输入电路技术，使用户可以在RF ATE和/或现场测试环境中使用自动校准和测量技术。
Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190（具有交叉点开关输入电路技术的12位和10位四通道ADC）使RF ATE和现场测试设备的开发能够专注于单通道和多通道自动校准。端口5G NR设备测试和测量。
两代人之间的问题
5G是通信行业的第五代蜂窝网络技术标准，自2019年以来已在全球范围内应用。5G是当今大多数手机使用的4G网络的后继产品，具有更大的带宽和更快的下载速度。至10 Gbit / s。由于带宽的增加，当前的4G手机将无法使用新网络。这个新网络需要启用5G的无线设备。另一方面，5G还需要与所有4G网络要求（例如带宽）兼容。因此，为了确保广泛的服务范围，5G网络将在低频段，中频段和高频段三个频段工作。
5G低频段（也称为1 GHz以下）使用类似于4G（600-700 MHz）的频率范围，可以支持略高于4G（30-250 Mbit / s）的下载速度。
中频带5G（也称为6 GHz以下）的频率范围是2.5-3.7 GHz（下载速度为100-900 Mbit / s）。这项服务将在2020年覆盖大多数城市地区。
高频段5G（也称为毫米波）使用26、28或39 GHz的频率。上述5G频带均已在2020年进行了测试，新的中频带（6 GHz以下）预计将在未来几个月或几年内实施（目前有50多个5G NR中频带）。在世界范围内使用）。
2018年，一个5G行业联合标准（第三代合作伙伴计划（3GPP））定义了一个使用5G NR（5G New Radio）软件的系统。 5G最终将支持每平方公里约100万个设备，而4G现在支持每平方公里约10万个设备。当然，5G无线设备将与4G LTE功能兼容，因为新的5G网络将使用现有的4G网络来初步实现手机的连接。关键是未来的5G设备不仅需要满足不断发展的5G性能要求，而且还需要与以前的2G / 3G / 4G / 5G（GSM / EDGE / CDMA / UMTS / WCDMA / LTE / LTEA / TD -SCDMA / TD- LTE等）。
因此，未来的5G NR ATE系统需要使用可靠且可重复的方法来在较宽的频率范围内测试设备的性能。此方法需要支持自动校准和测量，以确保结果相互关联并减少测试误差。
由错误引起的麻烦
在参数化RF ATE测量环境中DUT（被测设备）的外部不确定性/误差，要求一种测量方法能够准确可靠地测量DUT /产品的性能，从而提高测量精度。测试和量化测量不确定度是获得理想测量结果的关键。
通常来说，测量结果的准确性通常是有问题的，因为所有测量都受到物理和电气环境的影响，并且受到所使用的源/测试设备/仪器的限制。因此，测量值永远不会等于被测DUT /性能的真实值。测量值和真实性能值之间的差异称为误差。根据错误的来源（在DUT之外），这些错误可以大致分为随机错误和系统错误。随机错误是随机的。它们来自测试设备和测试环境中不可预测的时间或空间变化。通常很难跟踪和量化随机误差如何影响DUT测量结果。随机错误主要是由RF ATE环境的变化引起的，例如温度变化，连接变化，仪器噪声和失真以及连接和电缆错误。
系统错误是可重复的错误自动测量设备，通常可以纠正，但不能完全消除。系统误差只能降低到一定程度。校准的概念通常是指在RFATE测试环境中对系统误差的估计和校正。为了成功纠正系统错误，通常需要经过校准的标准或参考设备。该标准或参考设备应能够高精度地表示或再现特定的测量过程。校准过程通常使用测量系统来测量/测试此标准/参考设备，并将测量结果存储为原始数据。通过将该标准/参考设备的原始测量数据与已知值进行比较，可以计算出系统误差。然后使用该误差的值来校正测量结果。不幸的是，对于5G NR ATE测试设备，包括DIB（设备接口板），探针卡，电缆和连接件等，标准/参考设备具有各种高频和测试条件，这使问题变得非常复杂。校准的另一种方法是定义参考平面。该参考平面是通过估算和校正测试系统环境的系统误差而获得的。不幸的是，参考平面环境无法纠正随机误差。当前的RF / 5G NR ATE和现场测试系统环境迫切需要一种使用自动/校准和测量技术为每个DUT创建参考平面的解决方案。
独立设备的自动校准和测试测量
要在RF ATE环境中为每个DIB（设备接口板）/ DUT创建一个参考平面，您需要定义一个校准过程（图1a和1b）。校准通常使用一组标准。理想情况下，此标准使用“黄金参考设备” DIB / DUT，并与通常的DIB / DUT测量（步骤2)）相比，累积误差小于一半或四分之一（步骤1)）。可以得到（步骤1)，可以认为标准的累积测量方法足以满足实际的DIB / DUT测试（步骤2)。始终在不同的频率，噪声和电压条件下保持RF ATE环境）最小的“金标准/参考设备”测量误差是一项非常困难，耗时且昂贵的任务。
图1b简化框图：DIB / DUT的自动测量
当然，设备的互连和更改也会严重影响标准参考平面的创建和DIB / DUT的校准（包括多设备接口板（DIB）异常，DIB / DUT触点/设备的更改，电缆/连接器的阻抗） ，源/测量仪器的更改等）。考虑到以上内容，5G NR设备的校准过程需要使用标准的手动测试方法创建参考平面（引入较大的随机误差），然后使用自动测试方法消除系统误差的来源。
图2显示了通用的6引脚（表面安装封装）5G NR低噪声放大器（LNA）产品/ DUT（未连接至外围设备）。该LNA的测试样本需要在RF ATE环境中进行测试。测试前需要校准此环境以确定参考平面。用于LNA的典型RF ATE测试包括：
•工作频率范围（超过50个5G NR网络频带）
•增益/插入损耗
•在频率范围内获得平坦度
•噪声图
•输入/输出回损
•输入IP3
•输出IP3
图2通用6针5G NR LNA DUT（不连接外围设备）
除了测试这种LNA设备外，实际的RF ATE环境还需要具有测试其他类型的5G NR型设备（耦合器，衰减器，滤波器，VGA等）的能力。因此，需要考虑多端口测试的情况。
图3显示了相同的通用6引脚（表面安装封装）5G NR低噪声放大器（LNA）产品/ DUT，但具有正常工作所需的外部组件。这些设备尽可能靠近地安装在DIB上。实际上，由于高频激励，图3的测量和校准比图2复杂得多。 DUT和DIB之间的异常包括：
•衰减器失配和损耗误差（需要阻抗匹配并改变DUT输入/输出电平）
•输入和输出之间的电感性能变化
•控制线和门驱动器之间的交互变化
•接地回路
•电缆/连接阻抗
•每个测试模块的测试系统连接的阻抗变化
如前所述，随着信号链中的多个设备被添加到DUT，校准问题将变得更加复杂。随着变量的增加，校准和自动测试误差将成倍增加。
图3通用6针5G NR LNA DUT / DIB（连接外围设备）
因此，未来的5G NR ATE系统和现场电信测试设备需要具有在宽频率范围和不同测试条件下进行可靠，可重复和关联（考虑到上述误差）测试的能力。它还需要一种自动校准技术，该技术不依赖手动校准来基于标准创建参考平面。图4显示了具有自动校准功能的5G NR RF ATE测量系统的简化/概念框图，该系统可用于任何带或不带外设的DIB / DUT，无论是单端口还是多端口。
图4概念框图：5G NR RF ATE测量/测试系统的自动校准
为了确保对RF ATE系统进行准确，可靠和可重复的测试，测试工程师必须填补昂贵的测量仪器面板上的高质量连接器与DIB / DUT接口之间的空白。 DUT的电接口（探针卡或封装适配器接口卡）通常集成在DIB内，但很少与同类型的高质量连接器匹配。源（到DUT）和接收器/测量设备（来自DUT）之间的大量电缆/连接器和DIB将引入大量的随机和系统误差。
为了补偿这些误差，简化了RF ATE测试配置（图4)允许自动校准和测量DUT端口，而无需手动校准技术为每个独立的DIB / DUT创建参考平面。图4简单直接通过测量测试配置错误，并在最终DUT测量值（原始测试测量值-校准误差测量值=最终DUT测量值）中纠正这些错误，以使校准/测试测量过程自动化，具体的实现方法是：内部分频点开关（CPS）将自动切换到“校准误差测量”模式，从而允许ADC测量RF吞吐量，其中包括以下误差：
•直接RF天线/源噪声和失真
•DUT的输入回波损耗/衰减器误差
•电源错误
•接地错误
•辅助源/驱动器问题（例如上面的控制端口示例）
•连接器和电缆错误/变化
该测量结果存储为校准误差测量值。然后，CPS自动切换到“原始测试和测量”模式，ADC在DUT（连接的外围设备）上执行相同的测量，并将数据存储为原始测试测量值。这两个测量值由软件处理以获得自动校准/校正的最终测试和测量结果。内部CPS允许RF ATE工程师通过一系列测试自动重新配置DIB / DUT，而无需人工干预和重新校准。同样，如果DIB / DUT包含多个设备，则可以使用四通道ADC和四输入交叉点开关（CPS）来实现多端口测量和自动校准/校正，这将在后面详细介绍。
5G NR ATE DUT自动校准和测试测量
图5和图6描述了Teledyne e2v的四通道，多输入端口和集成的非并行片上高频交叉点开关（CPS）ADC 5G NR ATE自动校准以及测试和测量系统的使用自动化解决方案。 Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190（具有集成交叉点开关的12位和10位四通道ADC）使5G NR ATE和现场测试设备能够瞄准单个通道（图5、6和7)和多端口5G NR）自动校准测量测试的设备（请参见下文）。
CPS具有四种不同的模式（可以通过SPI控制自动启用）：
•1通道模式IN0输入：四通道ADC交错进入最高采样率6.4 Gsps（4 x1.6 Gsps）
•1通道模式下的IN3输入：与上面相同
•在2通道模式下，IN0输入连接到ADC A和B，IN3连接到ADC C和D，每通道最高采样率3.2 Gsps（2 x1.6 Gsps）
•4通道模式的IN0-IN3输入连接到ADC A，B，C，D，并且每通道最高采样率1.6 Gsps
此外，EV12AQ605的扩展输入带宽超过6 GHz（EFPBW），从而可以直接采样C波段（4-8 GHz）信号，而无需下变频器将信号转换为基带（直接射频采样）。
图5是自动校准测量的简化框图。 CPS设置为1通道（IN0输入）模式，ADC（A，B，C，D）测量DIB / DUT的RF吞吐量端口，并断开DIB / DUT的RF输出端子（也由CPS实现）。此“校准误差测量”对DIB / DUT（输入）的组合误差进行采样：
•直接RF天线/源噪声和失真
•输入回波损耗到DUT /衰减器/滤波器错误
•电源和接地错误
•来自DUT的输入/回波损耗/接触错误
•DUT要求DIB中包含辅助源/驱动器/设备的问题
•连接器和电缆错误/更改等
这些ADC的测量结果存储为“校准误差测量值”。
图5简化框图：自动校准误差测量
图6简化框图：自动校准原始测试结果
图6是原始测试测量结果的简化框图。获得校准误差测量值后，CPS切换到1通道（IN3输入）模式，ADC（A，B，C，D）测量DIB / DUT的RF输出端口自动测量设备，并断开DIB / DUT的RF吞吐量端口。 （通过CPS实施）。此“原始测试度量”对DIB / DUT（输入）/ DUT（输出）的综合性能和误差进行采样，例如：
•先前校准误差测量中提到的误差
•加上DUT RF输出性能
ADC测量结果存储为“原始测试测量值”。最终DUT测量值通过以下公式计算：原始测试测量值-校准误差测量值=最终DUT测量值。
图7是同时进行校准误差测量和原始测试测量的简化框图。 CPS设置为2通道模式（IN0输出连接到A和B，IN3输出连接到C和D）。 2通道模式下的ADC（A，B）测量DIB / DUT的RF吞吐量端口，并且DIB / DUT的RF输出也由ADC（C，D）测量。以3.2 Gsps的最大采样率，可以同时测量“校准误差测量值”和“原始测试测量值”。同样，可以通过以下公式计算出最终DUT测量值：原始测试测量值-校准误差测量值=最终DUT测量值。
图7简化框图：同时自动执行校准误差测量和原始测试测量
已安装的电信设备5G NR ATE系统/现场测试的自动校准
图8是同时测量多端口DIB / DUT输入/输出以完成自动校准测量和原始测试测量过程的简化框图。 CPS设置为4通道模式，每个独立采样的ADC通道支持1.6 Gsps的最大采样率。多端口DIB / DUT也可以代表已安装的电信系统的测试/测量点。在4通道模式下，ADC（A，B，C，D）同时测量DIB / DUT或现场测试系统的RF吞吐量端口，端口1、端口2和RF输出端口。此配置可以同时测量每个端口，并且该数据可以用作“校准误差测量”和/或“原始测试测量”。可以通过从原始测试测量值中减去端口校准误差来获得最终测试测量值。
图8简化框图：同时进行多端口自动校准误差测量和原始测试测量
此外，EV12AQ605包含“多ADC链同步功能”，可以为这种多端口测试和测量带来更大的设计灵活性。 4个ADC内核的链同步功能（时钟树和数字复位）可以自动调整多个ADC的采样时序/相位，并对其进行重新对齐以支持实时测量校正。 ADC的链同步功能使该4通道系统可以扩展到8、12、16或更多通道系统。
具有CPS的独特四通道ADC（EV12AQ605和EV10AQ190)添加了自动校准测试和测量功能，用于5G NR ATE系统和电信设备的现场测试
EV12AQ605是一个四通道12位1.6 Gsps ADC。内置交叉点开关（CPS）可以切换多种工作模式，从而交织4个独立的内核以实现更高的采样率。在4通道工作模式下，这4个内核可以以1.6 Gsps的采样率对4个独立的输入进行同相采样。在2通道工作模式下，内核可以成对交错，以实现每个输入3.的2 Gsps采样率。在1通道模式下，单个输入连接到交错的4个内核，以实现6.4 Gsps的采样率。这种高度的灵活性使用户可以在3.2 GHz的瞬时带宽内实现RF（和IF）数字化。 EV12AQ605的扩展输入带宽超过6 GHz（EFPBW），从而允许直接对C波段（4-8 GHz）信号进行采样，而无需下变频器将信号转换为基带。该ADC包含多个ADC链同步功能，可用于设计多通道系统。它的封装是采用HiTCE玻璃陶瓷材料的非密封倒装芯片封装，可以优化RF性能并支持更高的引脚密度。
图9：EV12AQ605框图
与本文主题相关的重要性能指标是通道间隔离或串扰。较大的串扰会给ADC增加额外的误差并影响结果。可以通过类似于其他噪声源的自动校准过程来纠正此错误。图10显示EV12AQ605具有世界领先的串扰性能，并且它引入的额外噪声影响很小。
图10：EV12AQ605的串扰性能
EV10AQ190与早期的10位ADC类似，它还集成了交叉点开关。请参阅下表以了解两者的性能概述：
结论
随着5G NR网络在世界范围内的普及，高频设备的自动/校准高速测量成为一个关键问题。校准，可重复性和测量值之间的相关性是5G NR ATE和现场测试系统面临的巨大挑战。这些问题与整体测试速度和吞吐量直接相关，并影响解决方案的效率和性能。 Teledyne e2v的四通道多输入端口ADC使用非并行的片上高频交叉点开关输入电路技术来为5G NR ATE和/或设备（单端口或多端口）测试提供自动校准和测量现场测试环境解决方案。
