【无线射频通信】-UWB与WMAN无线电系统的先期验证

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----UWB与WMAN无线电系统的先期验证采纳正交频分多路转换（OFDM）实体层的无线区域网路（WLAN），目前已经在全球各地广泛地进行商业建置，它主要是依据IEEE802.11a/gOFDM无线电标准。现在设计工程师正使用移动无线平台专用的多模态IEEE802.11a/b/g晶片组，来提升IC整合的程度，以协作价格低廉的无线上网服务。新兴的IEEE802.15.3a超宽频（UWB）和IEEE802.16d无线都会区域网路（WMAN,又称WiMAX）标准，将促使IC设计朝更高资料速率的OFDM应用进展。

过去三年产业全力开发WLANOFDM产品的结果，不但了设计与验证的程序，还由于强调初期验证而提升了设计的效率，并因此加快了在竞争激烈的消费者市场引进新的OFDM产品的脚步。零中频（ZeroIF）的CMOSRFIC彻底颠覆了WLAN的设计，让低价产品得以呈现经济效益。这些产品通常包括基频和RFIC，它们会在电路板层级的模组或封装内整合一些晶片外（off-chip）元件，像是功率放大器、滤波器和天线，如图1所示。

RF和基频IC通常会整合到参考无线电（referenceradio）的原型中，以便在量产IC之前进行系统层级的OFDM无线电认证测试。举例来说，使用可程控的基频IC补偿演算法，可以削减RFIC的瑕疵，而这些演算法必需在系统层级的参考无线电测试过程中进行验证。将模拟与验证工具整合在一起的好处是，WLAN无线电系统设计工程师不必等到后期整合时才能找出RFIC或基频演算法中的问题，而是在设计流程的初期就能验证重要的OFDM无线电规格。

在整合的设计流程中，一开头必需进行RF和基频IC的模拟，以便在tape-out之前验证重要的规格，进而缩短设计週期。在模拟的过程中应执行各项虚拟量测，亦即分析候选OFDM设计，以取得放射器的差错向量幅度（EVM），并且进行除错。将模拟时所合成的测试信号下载到仪器中，可产生OFDM测试信号以评估原型IC。至于接收器的信号撷取与误码率（BER）测试，则必需在包含放射器失真、通道瑕疵及不想要的干扰信号下执行。为简化设计程序，可使用事先设好的测试与验证设定，依据放射器频谱、EVM和BER等效能量测标准来评估设计。

OFDM无线电系统

遵循IEEE802.15.3a标准的UWB无线个人网路（WPAN），使用低于11GHz的载波频率及110到480Mbps的资料速率，供应短距离（＜30呎）的应用，例如家庭办公室的无线USB和串流视频。遵循IEEE802.16d标准的无线都会区域网路（WMAN）则使用低于11GHz的载波频率及最高75Mbps的资料速率，供应4到6哩远的宽频无线上网（BWA），或“最终一哩”上网服务。由于频谱管理单位、标准制定组织、工业团体及各个协会都在推动IEEE标准，毕竟哪些标准会胜出目前还不明朗。一般认为各家WLAN产品厂商针对消费性产品的相互操作性所做的努力，将有助于IEEE802.11a/b/g标准成为全球的无线网路标准。至于新兴的WPAN/WMAN标准，还得花上好几年的时间才能完成。在各界竞相推出新标准的这段期间，OFDM无线电晶片设计师需要有弹性的设计与验证工具，以便因应不同的标准来设定新的模拟与测试解决方案。

加速新兴的OFDM产品的开发

混合信号系统整合单晶片（SoC）的验证作业，可在ICtape-out及交付生产之前，依据模拟的行为和元件模型来确保设计达到效能规格。目前0.1umIC的生产过程都很久，所需的光罩成本大约是100万美金。内含几千万个闸的SoC设计，往往需要用到几千亿个二进位测试码型（测试向量）；产生及模拟很多个输入组合，可以确保设计永久不会发生无法恢復的状态。工程小组可能要花上总设计时间的50%到70%来执行验证工作。生产混合信号SoC最大的挑战之一，就是必需为模拟和数字信号开发出适合的testbenches，以便在自动化的设计与验证流程中掌握及观看内部的IC信号。当SoC变得愈来愈简单时，在设计週期中进行验证就变得非常重要且富挑战性。

OFDM设计工程人员整合了系统层级的模拟与验证设计流程，以便在模拟过程中对简单的IC设计进行生产前的初期验证，同时他们也将上述流程与生产流程和制造测试程序连接在一起。如此一来，设计工程师就可以在整个产品生命週期中使用设计智财元件（IP），以达到降低成本的目标。以下三个重要的策略，可以让新的OFDM产品具备更高的可猜测性和获利力量：

执行先期验证

整合设计、验证与制造测试

进行完善的RF模拟

当产品进入开发的最终阶段时，设计问题对财务与时程的影响将会愈来愈明显。后期的整合问题及RFIC未能达到效能目标，是造成专案进度落后及成本超出预期的两个最常见的缘由，但可藉由整合设计、模拟与测试工具和方法来解决。在开发IEEE802.11WLANOFDM产品的过程中，几个重要的胜利因素包括：

使用OFDM通信模型程式库来执行合乎标准的参考无线电模拟。

参考无线电的端对端模拟与验证，各个系统区块是在不同的时间开发而成的。

当每个设计小组将个别的IP区块移到下一个开发阶段时，都会执行效能检查。

在模拟与实体仪器之间使用全都的量测与分析演算法。

不同据点及单位的设计与测试站，都使用相同的效能量测标准。

图1.OFDM参考无线电。

OFDM产品的开发生命週期

无线产品的开发生命週期始于新兴的系统设计规格和无线电结构概念，结束于获利性产品的大量生产。一开头在系统层级所做的利弊取捨，打算了如何才能符合重要的无线电系统规格，同时达到经济的硬件实作。在设计阶段进行系统与电路层级的模拟，可以事先猜测提出的无线结构及相关的参考无线电能否达到重要的规格。模拟作业会利用具体的元件模型、RFIC制程设计套件(PDK)及RF电路板/模组封装寄生，对比每一种OFDM标准的重要效能规格来验证参考无线电。

面对浩大的快速上市压力，设计工程师必需使用高效率的模拟工具来匯出设计IP，以供生命週期的后面阶段重复使用，进而缩短设计週期。随着无线电简单度的不断提高，设计师必需尽可能在生命週期的初期验证效能。在每个阶段进行产品的效能验证，可以透过模拟及早发觉重要的问题，进而规避风险，假如等到开发週期的后期才来修正问题，唯恐要耗费更多的时间和成本。

整合设计、验证与制造测试—ConnectedSolutions

ConnectedSolutions结合模拟软件及测试与量测仪器，构成了各种弹性的解决方案，它们所供应的新的设计与验证力量，可以因应不同的OFDM无线电标准来重新设定。模拟软件与量测仪器的结合，意谓着可以共享信号、量测、演算法和资料，只解决光使用EDA工具或仪器所无法排解的特别问题。因整合而供应的全新量测公用程式，改善了设计的程序并延长测试仪器的功能。近年来，数据通信（相对于语音）对于无线通信IC设计流程的确立有很大的贡献。过去几年在各种WLAN标准的进展过程中，ConnectedSolutions的确满意了很多弹性的验证需求。

WMANOFDM副载波的浩大数量及较高的输出功率位准（相对于WLAN），提高了达到功率放大器/放射器的EVM规格的难度。图2以使用ADS先进设计系统及安捷伦的测试仪器为例，来设计与验证WMAN802.16d无线电的功能图与信号流程。将802.16d测试信号从ADS下载到安捷伦E4438CESG信号产生器，然后通过WMAN功率放大器待测装置（DUT），再使用安捷伦89641AVSA向量信号分析仪来分析，以便验证EVM规格。图3和图4分别显示量测与模拟的结果，量测值是以VSA显示图来显示，模拟结果则是以ADS先进设计系统资料显示格式来显示。UWBOFDM跳频使得振盪器和接收器的设计，更难达到低相位噪音和跳频的需求。图5是可产生UWBOFDMMode1跳频（3个跳频）的线路图；图6是ADS2023A所显示的模拟结果。

图2.WMANConnectedSolutions的testbench。

图3.测得的WMAN(a)频谱和时间，(b)OFDM星状图和符号/错误表，及(c)错误向量频谱和时间。

图4.模拟的WMAN(a)输出星状图及(b)输出频谱。

图5.模拟的UWBMode1跳频信号源。

图6.模拟的UWB(a)时间丛发和频谱，(b)符号和LO频率相对时间，及(c)OFDM频谱。

将IP移入生产阶段—从模拟到测试皆使用相同的演算法

在整合设计与验证的流程中，可以重复使用特定OFDM演算法（以C、ADS、MatLab(TM)、HDL或VerilogA等设计工具开发的）的设计IP。在模拟与测试作业间快速移动OFDM信号、资料和测试向量的力量，有助于提升除错的速度、确定测试结果间的关系、以及加快验证程序的进行。同样地，IC测试仪机台也可以共享在模拟过程中所产生及在制造测试时所共用的信号，以加速生产测试计画的开发、特性分析和联繫。有一家知名的行动手机制造商，就曾将ATE自动化测试系统与测试间的联繫工作从几个月缩短到两週。

结语

将模拟工具与仪器整合在一起，即可在OFDM设计生命週期中共