浅谈无线设备的校准

当前无线通讯是个潮流，GSM手机、cdma手机、wcdma手机、WLAN的研发、生产如火如荼，在这些无线设备的研发、生产中都有校准，其意义和目的何在？一般都要校准一些什么指标，笔者在此斗胆聊两句，以期达到抛砖引玉之目的。大批量生产无线发射、接收设备时，通常情况下，为什么都需要校准？　　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，在通常情况下，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。无线发射、接收设备通常需要校准的指标一、频率　　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。二、功率电平　　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。三、RSSI（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。四、电池的校准及其他的校准　　电池的校准及其他的一些校准，如温度校准、直流偏置校准等等，都是对基带电路中的A/D的参考电压的校准，以保证A/D读数的准确，这些校准一般都是测量A/D的斜率和截距。随着技术的发展，这些校准在很多厂家的设计中已经被回避掉了，也就是现在很多厂家的设计中已经不再校准这些内容了。　　本部分简要介绍了为什么要校准无线设备，校准无线设备的一些主要内容，其实严格意义上讲，每种制式的移动台，其校准要求与目标差很多，也就是GSM、cdma，wcdma的校准差很多。这点其实不难理解，GSM的发射功率是按级别来控制，cdma，wcdma是发射功率是被连续控制的，从这点上看，对发射功率的校准，GSM、cdma，wcdma一定是不一样的，但一样的是校准移动台的发射功率，一定是校准发射功率的非线性和频率响应。另外，正如前文所述，各个厂家在电路设计上的不同，即便是相同制式的移动台，如都是GSM的移动台，其校准内容以及校准方法也是不同的，但核心离不开前文所述内容。　　至于校准的其他方面，笔者会在以后的几个部分去谈。在《浅谈无线设备的校准（一）》中笔者简要介绍了无线设备校准的意义和目的，以及主要要校准的射频项目，在这部分里，笔者会介绍一些在作校准时，遇到的一些细小的问题。无线设备校准的三大块　　不论是GSM手机、cdma手机、wcdma手机、WLAN、或者bluetooth，其实无线校准就是三大块内容；频率校准；发射电平校准（后文简称发射校准）；接收信号强度指示校准（后文简称接收校准）。当然，围绕这三大块，不同制式的无线设备所要校准的具体内容和方法是不同的，而且可能相差甚远，即便相同制式的无线设备，由于各厂家的设计不同，其校准的具体内容和方法也是不同的。但不论哪种制式、哪个厂家的设计，其校准的核心离不开这三大块。在校准无线设备时，校准各个项目时有先后顺序吗？　　　前文已述无线设备的校准分为三大块，那校准这三大块有先后顺序吗？答案是肯定的，校准一定是要先从频率校准开始，这是由于，不论是发射校准，还是接收校准，它们都是在某个信道上来做校准，而且都还要做频率响应校准，如果没有先作频率校准，而直接作发射或接收校准，此时控制信道频率的控制值，是用的无线设备里的缺省值，这个值可能是对的，也可能是不对的，如果不对，那么无论是作的发射校准，还是接收校准，校准结果都会受到一个频率响应导致的校准误差，频率偏得越远，这种误差会越大，而这个误差是可以通过先作频率校准而回避掉的。　　至于是先作发射校准，还是先做接收校准，这个到目前还没有什么关系，当然，有的厂家由于设计的原因，对此也是由要求的。另外，正如《浅谈无线设备的校准（一）》谈到的，发射校准和接收校准都要做频率响应校准，这种校准最好是最后来做，这是由于频率响应校准有可能是基于前面校准的基础上来实现的。要在测试模式下校准无线设备　　我们都知道，不论是GSM手机、cdma手机、wcdma手机、WLAN、或者bluetooth，它们都是有协议的，而且随着技术的进步，为了给更多的用户提供更快更好的服务，协议是越做越复杂。这些设备在出厂前都会做个测试，这种测试会模拟无线设备在真实环境（也就是协议模式）下的状况，此时无线设备为达到最佳通讯效果，会及时响应协议命令，自动调整自己的状态。在这种情况下，无线设备是受协议控制和调整的，此时很难校准。为了达到校准的目的，应将无线设备置为测试模式（有的也叫开发模式），此时无线设备不再响应协议命令，而是受控于计算机，通过计算机，你可以把无线设备设为你想要的状态，在此基础上，校准就容易的多。