Мобильные устройства становятся все более производительными, чему в значительной степени способствует расширение функциональных возможностей, предоставляемых передовыми ВЧ-интерфейсами. Современные ВЧ-интерфейсы содержат до 20 компонентов, включая фильтры, коммутаторы, усилители мощности (УМ), малошумящие усилители (МШУ) и антенные тюнеры. Высокочастотные входные интерфейсы управления (RFFE), определенные альянсом MIPI Alliance, получили повсеместное распространение в качестве стандартного интерфейса для обмена данными и управления отдельными компонентами. RFFE-интерфейс может быть использован, например, для эффективного управления многорежимными и многодиапазонными антеннами, а также несколькими антеннами одновременно. Это позволяет ускорить процессы разработки и конфигурирования отдельных компонентов, упрощает их интеграцию в мобильные устройства и гарантирует функциональную совместимость компонентов различных производителей.

 

Одной из основных функций RFFE-интерфейса является управление усилителем мощности. Для обеспечения оптимальной работы устройства в сети сотовой связи усилитель мощности должен удовлетворять особым требованиям к параметрам, определенным в соответствующем стандарте сотовой связи. При этом ключевую роль играет обеспечение синхронизации команд RFFE-интерфейса, т. е. соблюдение временных интервалов между подачей отдельных команд и ответным выходным сигналом усилителя мощности.

 

Для тестирования синхронизации команд RFFE-интерфейса усилителя мощности необходимо выполнить запуск по команде RFFE-интерфейса с последующим захватом данных в соответствующем временном интервале. Последующее измерение огибающей ВЧ-мощности с привязкой ко времени команды RFFE-интерфейса позволяет получить характеристики мощности сигнала усилителя. Для обнаружения источников помех требуется проведение анализа спектра выходного сигнала усилителя мощности в частотной области. Ультрасовременные осциллографы идеально подходят для выполнения подобных измерений благодаря возможности запуска по сигналам последовательного протокола RFFE-интерфейса. Кроме того, осциллографы предоставляют целый ряд высокопроизводительных функций, таких как анализ спектра и детектирование СКЗ.

 

Что же стоит за RFFE-интерфейсом?

 

RFFE-интерфейс обеспечивает функциональную совместимость на уровне интерфейса между соответствующими высокочастотными интегральными схемами и модулями ВЧ-интерфейса. Разнообразные модули ВЧ-интерфейса могут быть использованы либо в качестве отдельных компонентов, либо как частично или полностью интегрированные модули ВЧ-интерфейса, в зависимости от приложения и технологии. Примерами модулей ВЧ-интерфейса являются усилители мощности (УМ) на стороне передатчика и малошумящие усилители (МШУ) на стороне приемника, а также блоки управления электропитанием, фильтры, коммутаторы, различные датчики и антенные тюнеры.

 

Для управления ВЧ-компонентами с использованием RFFE-интерфейса необходимо обеспечить соответствие требованиям как для физического, так и для более высоких протокольных уровней. Обмен данными по RFFE-интерфейсу осуществляется в обоих направлениях по двухпроводному интерфейсу (SCLK, SDATA) с использованием генератора тактовых импульсов с частотами 32 кГц и 26 МГц. Каждая шина поддерживает возможность управления до 15 компонентами. На рисунке 1 представлена сводная таблица с основными характеристиками интерфейса и показан соответствующий кадр данных.

Рисунок 1 Обзор характеристик интерфейса MIPI—RFFEv1.10 и кадры данных RFFE 

 

Последнее обновление стандарта для высокочастотного входного интерфейса управления MIPI вышло в марте 2015 года и было опубликовано в спецификации MIPI RFFE v2.0. Данная версия включает пять дополнительных технических функций:

 

·         Расширенный диапазон рабочих частот шины. Эффективное удвоение количества последовательностей команд, передаваемых по шине в единицу времени, обеспечивающее увеличение общей скорости передачи данных для конечных пользователей.

·         Режим синхронного чтения. Поддержка дополнительных типов распространения данных по шине ведомыми устройствами, обеспечивающая повышение диапазона загруженности шины и позволяющая более эффективно использовать дополнительные рабочие частоты шины.

·         Конфигурация мульти-мастер. Поддержка системных архитектур с объединением несущих, позволяющая использовать несколько приемопередатчиков и устройства с двумя SIM-картами.

·         Функция прерывания для ведомых устройств. Реализация метода быстрого опроса ведомых устройств контроллером шины.

·         Новые зарезервированные регистры. Повышение эффективности разработки аппаратного и программного обеспечения.

 

 

Решение измерительных задач с помощью осциллографов

 

Ключевым измерением является определение времени установления усилителя мощности, например, после получения RFFE-команды на изменение коэффициента усиления. Команда RFFE-интерфейса передается контроллером и интерпретируется усилителем мощности, который соответствующим образом изменяет коэффициент усиления. Измеряемой величиной является время от получения команды до достижения мощностью определенного процента итогового уровня. На рисунке 2 показана блок-схема измерения.

Рисунок 2 Установка для измерения времени от поступления RFFE-команды в усилитель мощности (УМ) до изменения уровня мощности в УМ. 

 

Для определения времени, затрачиваемого усилителем мощности на изменение уровня выходного сигнала при получении заданного слова данных (например, команды RFFE-интерфейса на изменение коэффициента усиления), необходимо декодировать последовательный поток данных и идентифицировать соответствующую последовательность команд. Это осуществляется с помощью осциллографа, который используется для измерения аналоговых сигналов на шине данных. Осциллограф декодирует сигнал в соответствии с выбранным стандартом для определения момента появления последовательности команд в потоке данных. Информация используется как сигнал запуска и служит в качестве опорного времени для измерения. Начиная с момента запуска, осциллограф выполняет анализ выходного сигнала усилителя мощности и определяет требуемые параметры, такие как относительное время установления.

 

Функция синхронизации с протоколом RFFE

Одним из главных преимуществ осциллографа является возможность запуска по определенным характеристикам сигнала – от простого выбора типа перепада до более сложных характеристик, таких как длительность импульса или крутизна фронта. Такие измерения накладывают требования по интерпретации осциллографом последовательного потока данных и его использования в качестве события запуска.

 

Рисунок 3. Меню настройки декодирования сигнала RFFE-протокола в осциллографе R&S RTO2000

 

На рисунке 3 показано меню настройки цифрового осциллографа R&S RTO2000 для декодирования сигналов RFFE-протокола. Тактовый сигнал и сигнал данных RFFE-протокола подаются на каналы осциллографа. Поддерживается возможность использования как аналоговых, так и цифровых (MSO) каналов. Пользователь может задавать пороговые уровни, а также определять настройки побитовой синхронизации и параметры обнаружения сбоев. Функция обнаружения сбоев является дополнительной; она используется для предотвращения ложного обнаружения логических уровней сигнала RFFE-протокола из-за влияния шумов и различий во временных характеристиках сигнала. Как показано на рисунке 4, декодированный сигнал может быть использован в качестве источника запуска и сконфигурирован для захвата шестнадцатеричного числа 0x02 по адресу ведомого устройства F. Все измерения синхронизируются с этим событием запуска.

 

Рисунок 4. Конфигурирование запуска по сигналу RFFE-протокола

 

Детектирование огибающей ВЧ-мощности

Для измерения мощности сигнала используется несколько методов. Измерители пиковой мощности позволяют наиболее точно определить уровень мощности, но не обладают возможностью запуска по сигналам RFFE-протокола, что делает невозможным непосредственное измерение времени от получения RFFE-команды на изменение мощности до фактического изменения уровня мощности выходного сигнала усилителя.

 

Другим методом измерения мощности сигнала является применение детектора. Как правило, в качестве детектора используются диоды, преобразующие ВЧ-несущую в напряжение пропорционально квадрату амплитуды сигнала. Это напряжение может быть измерено осциллографом. Детекторы, используемые в сочетании с осциллографом и функцией запуска по сигналам RFFE-протокола, являются наиболее эффективным решением для такого приложения.

Третий метод заключается в использовании осциллографа с функцией запуска по сигналам RFFE-протокола, что позволяет рассчитать СКЗ полученной осциллограммы с помощью математических операций.

 

Широкополосные осциллографы используют высокоскоростные АЦП для записи осциллограммы ВЧ-сигнала. Прибор R&S RTO2000 обеспечивает частоту дискретизации 10 млрд отсчетов в секунду (20 млрд отсчетов в секунду в режиме чередования). Поскольку огибающая мощности изменяется намного медленнее, чем амплитуда ВЧ-несущей, высокая частота дискретизации АЦП не требуется, что позволяет снизить ее без нарушения условий теоремы отсчетов. Это осуществляется с помощью процесса прореживания, уменьшающего количество используемых отсчетов. Прореживание также можно выполнить с помощью математических операций, таких как усреднение или вычисление СКЗ сигнала. Вычисляя СКЗ по определенному количеству отсчетов, например, по 100 отсчетам, можно понизить частоту дискретизации в 100 раз – в данном случае с 10 млрд отсчетов в секунду до 100 млн отсчетов в секунду.

 

Рисунок 5. Импульсная ВЧ-несущая, полученная с помощью детектора отсчетов и детектора СКЗ. 

 

На рисунке 5 показана импульсная ВЧ-несущая, измеренная с помощью методов детектирования отсчетов и детектирования СКЗ. Верхняя осциллограмма с отображением СКЗ огибающей получена с использованием метода детектирования СКЗ. Нижняя осциллограмма с отображением размаха несущей получена с использованием метода детектирования отсчетов. Измеренное СКЗ в этом случае составляет 175 мВ, что соответствует уровню мощности 0,61 мВт, или -2,1 дБмВт (относительно импеданса 50 Ом).

 

Измерения спектра

Еще одной важной характеристикой усилителя мощности является спектральное поведение ВЧ-сигнала в ходе переключения. Эта информация может быть использована для минимизации результирующих сигналов помехи и устранения их влияния. Для получения информации о частоте в осциллографах используется алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), применяемый к захваченному сигналу во временной области. Современные осциллографы позволяют задавать временные окна (стробы) для получения «снимка» указанного участка общего временного интервала захвата.

 

Рисунок 6. Спектральный анализ с отображением стробированного БПФ для ВЧ-импульса (левый строб = без несущей, правый строб = с несущей).

 

На рисунке 6 показано измерение с использованием метода стробированного БПФ с двумя различными стробами. Импульсный ВЧ-сигнал отображается на верхней диаграмме (Ch1). Серые столбцы представляют два заданных строба. Частотный спектр автоматически рассчитывается для двух стробов и отображается на двух диаграммах, показанных в нижней части рисунка. Левая диаграмма (красный цвет) представляет спектр сигнала во временной области, в котором отсутствует ВЧ-импульс. На правой диаграмме (зеленый цвет) показан соответствующий результат для второго строба с ВЧ-импульсом.

 

Современные осциллографы позволяют задавать полосу разрешения независимо от времени захвата сигнала во временной области. Если необходимое время захвата значительно превышает значение, требуемое для заданной полосы разрешения, осциллограф выполняет несколько БПФ для различных участков осциллограммы и отображает итоговый спектр путем наложения всех осциллограмм.

 

 

Измерения сигналов RFFE-протокола с помощью осциллографов

 

Используя рассмотренные выше функции можно провести измерение с помощью установки, показанной на рисунке 2. Испытуемым устройством (ИУ) является усилитель мощности, управляемый RFFE-сигналом. Осциллограф R&S RTO2044 настроен для использования цифровых сигнальных линий логического анализа D0 и D1 для захвата данных тактовой линии и линии данных RFFE-интерфейса. Осциллограф настраивается на запуск по шестнадцатеричному числу 0x02, отправленному по адресу ведомого устройства 0xF. ВЧ-выход усилителя мощности подключен к аналоговому каналу 1 осциллографа. Масштаб по времени равен 500 мкс, что позволяет полностью охватить интервал времени установления. На рисунке 7 показаны результаты измерения:

 

—       На верхней диаграмме показана декодированная RFFE-команда, используемая в качестве условия запуска. Синий треугольник в верхней части диаграммы указывает точку запуска, которая соответствует декодированному значению «DATA: 2h» (условие запуска).

 

—       На средней диаграмме показана ВЧ-несущая для канала Ch1 и математически рассчитанная огибающая мощности, полученная путем наложения. Точка запуска (синий треугольник) синхронизирована с RFFE-командой на верхней диаграмме. Для определения изменения мощности в усилителе используются два курсора, позволяющие отобразить значения мощности в точке запуска и после установления усилителя мощности. Слева от диаграммы отображаются показания двух курсоров, представленные в численном виде: 130 нВт в точке запуска и 749,5 мкВт спустя 86,5 мкс.

 

—       На нижней диаграмме показано масштабированное отображение режима установления.

 

Рисунок 7. Измерения непрерывного сигнала, поданного на усилитель мощности, во временной и частотной областях

 

На рисунке 8 показано аналогичное измерение. В данном случае немодулированный непрерывный сигнал заменен LTE-сигналом с частотой 10 МГц, используемым в качестве входного сигнала усилителя мощности. Несмотря на то, что RFFE-сигнал запуска в этой конфигурации остается неизменным, изменения входного сигнала проявляются в сигнале во временной и частотной областях на выходе усилителя. На нижней диаграмме показан спектр LTE-сигнала (рассчитанный с помощью метода стробируемого БПФ) после установления усилителя.

Рисунок 8. Передаточная характеристика и спектр LTE-сигнала с частотой 10 МГц на выходе усилителя мощности. 

 

Заключение

 

При разработке таких продуктов, как мобильные телефоны, основными задачами неизменно являются минимизация сроков выполнения работы и сокращение затрат. Стандартизированные компоненты и интерфейсы облегчают достижение этих целей. RFFE-интерфейс управления, определенный альянсом MIPIAlliance, является хорошим примером для индустрии мобильной связи. Для испытаний RFFE-компонентов на соответствие спецификациям и проверки функциональных возможностей необходимо проведение соответствующих измерений. В настоящей статье этот процесс рассматривается на примере усилителя мощности с RFFE-интерфейсом. Современные осциллографы предлагают целый ряд измерительных функций. Осциллограф R&S RTO2000, например, поддерживает возможность запуска по последовательностям RFFE-команд и обеспечивает синхронизированные измерения во временной и частотной областях. Таким образом, он позволяет измерять критичные по времени параметры, такие как время нарастания сигнала на выходной линии усилителя относительно времени поступления RFFE-команды. Осциллограф предлагает широкий спектр измерительных функций и настроек для измерений во временной и частотной областях. Эти функции позволяют пользователям с легкостью проводить всеобъемлющие измерения характеристик коммутаторов и других компонентов.

 

Статья опублдикована в журнале «Электронные Компоненты» №3-2017