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高通平台校准原理 Agenda 一 GSMRXCalibration二 GSMTXCalibration三 WCDMARXCalibration四 WCDMATXCalibration CalibrationConcept WhyneedtoCalibration 由于器件不一致 温度变化 器件老化等因素的影响 即使是基于同样的平台同样的设计 也会表现出不同的电性能 为了消除以上影响 每个手机在出厂之前都要对这些参数进行测量计算 得到一些参数误差数据 并把这些误差数据存储到一定的存储介质 一般为EEPROM 里 在手机正常使用过程中 CPU会读取这些数据并利用一定的算法对需要补偿的参数进行补偿 在生产测试过程中 对需要补偿校正的数据测量计算并存入EEPROM里的过程 称之为校准 CalibrationConcept CalibrationPurpose 移动台的射频电路存在大量的模拟器件 模拟器件具有很大的器件离散性 为了保证每一个移动台的射频指标都满足行业标准 3GPP 的要求 保证WCDMA网络 GSM网络的性能 必须对每部移动台进行射频校准 接收机校准 用户单元必须正确估计接收的最优信噪比 并为信号发射功率大小提供依据 发射机校准 用户单元必须在一个大的动态范围和正确的功率等级上发射 CalibrationConcept CalibrationContent 补偿器件的非线性特性 提供绝对的功率参考 进行最大功率限定 提高接收灵敏度 提供频率补偿 提供温度补偿 Theory HowThePhoneInterpretsPower AutomaticGainControl AGC Theory HowThePhoneInterpretsPower ConversionBetweenTXAGCanddBm Theory HowThePhoneInterpretsPower ConversionBetweenRXAGCanddBm GSMRXCalibration QualcommGSMRXStructure GSMRXCalibration 以RX Receiver 而言 LNA Lownoiseamplifier 的Gain 会影响整体电路的NF NoiseFigure NF公式如下 f为各级电路的NF G则是各级电路的Gain 由于第二级电路之后的NF与Gain对整体电路性能影响不大 起决定作用的是前两级 故多半只取前两级计算 根据以上公式 若提升LNA的Gain 便可使整体电路的NF下降 然而 若LNA得Gain过大 会使后端电路饱和 导致线性度下降 因此LNA的Gain必须适中 才能使整体电路的NF与线性度优化 但是 在实际使用手机时 很可能会因为处于移动状态 导致与基站的Pathloss一直在更改 加上附近周围环境的Shadowingeffect 导致手机所接收的讯号强弱不一 也就是LNA的输入讯号强度 会有很大范围的变动 GSMRXCalibration 由以上示意图可知 LNA的输入讯号不固定 若Gain为单一固定值 则输出讯号也会不固定 这很有可能会导致 当讯号过大时 后端电路饱和 线性度下降 或输入讯号过小时 后端电路SNR下降 NF上升 因此要有AGC Automaticgaincontrol 的机制 如此即便输入讯号的动态范围过大 也尽可能缩减输出讯号的动态范围 使整体电路的NF与线性度优化 因此GSM四个频带的LNA 都采用Gain stepped架构 其Gain皆非单一固定值 即VGA Variablegainamplifier 架构 透过AGC 缩减输出讯号的动态范围 GSMRXCalibration 由于高通6285ARX采用零中频架构 会直接将接收的RF讯号 下变频到基带 透过ADC AnalogDigitalConverter 转换成数字讯号 因此希望透过AGC机制 以及VGA 来缩减LNA输出讯号的动态范围 使ADC输入讯号的强度大小能适中 使ADC的NF与线性度都优化 高通6285AGSM四频的LNA 都采用Gain stepped架构 有五种GainMode 皆有其GainRange 分别应用于不同强度范围的RXpower 然而在单一事件内 只会有一种GainMode处于Enable状态 其余四个GainMode 便处于Disable状态 换句话说 不能能有两种以上GainMode 同时处于Enable状态 当RXpower较大时 LNA会采用LowGainMode 一方面节省耗电流 另一方面避免后端ADC饱和 线性度下降 而RXpower较小时 会采用HighGainMode 提升SNR 使后端ADC能解调成功 GSMRXCalibration GSMRXLNAGainRange示意图 GSMRXCalibration 另外 例如GSM850 900频段的五种GainMode的Gain值分别如下 GSM850 900频段五种GainMode的Gain值由于单一时间 只有一种GainMode处于Enable状态 GainMode0的Gain值最大 为72 5dBm 因此850 900频段的LNA 动态范围即72 5dBm 参考资料 高通文档RTR6285 RTR6280 RTR6237 RGR1100 MXU6219RFNVItems 80 VD861 12 GSMRXCalibration QualcommGSMRXCalibrationProcess校准目的 由于LNA本身既有的频率响应 使得每个 Channel 的RSSI不尽相同 RXCalibration便是计算不同Channel在各个GainMode 其RSSI与CellPower的差异 并补偿其差异 尽可能使CellPower与RSSI能一致 以GSM850频带 GainMode0为例 其流程如下 Step1 综测仪 Agilent8960或CMU200 设置固定大小的Cellpower 80dBm Step2 分别记录8个Channel 根据QSPR校准工具 如下图 的RSSI值Step3 利用以下公式 计算每个Channel的GainRangeGainRange 16 10 LOG RSSI i 80dBm 其中 i 为Channel值Step4 将其step3所计算的GainRange 填入下列NV NV GSM RX GAIN RANGE FREQ COMP i 其中 i 为Channel值而实际执行GSMRXCalibration后 GSM850GainMode0所计算的GainRange如下表 GSMRXCalibration GSM850GainMode0forGainRange上下限值分别为1800 2500 根据QSPR校准工具 如下图 GSMRXCalibration 而其计算出的GainRange 皆在范围内 而若将其画成曲线 如下图 当GSM850的Channel128 其GainMode0会读取2232这个值 使CellPower与RSSI能一致 经实验发现 当CellPower为 109 5dBm时 其RSSI为 108 109dBm 算是相当一致 GSMTXCalibration QualcommGSMTXStructure高通的RTR6285A在GSM GPRS EDGE部分的调变器架构 并非如下图一般 直接IQ讯号合成为RF讯号 即IQModulation GSMTXCalibration 而是会先将IQ讯号装换成AM AmplitudeModulation 讯号跟PM PhaseModulation 然后再合成为RF讯号 也就是所谓的PolarModulation GSMTXCalibration PolarModulationConcept极化调制的最大优点 就是能够提高EDGE的效率 因为EDGE有AM讯号 又AM讯号不能经过非线性PA 因此PolarModulation采用先将EDGE的AM讯号与PM讯号区分开来 当AM讯号被抽离后 此时等同于GMSK调变 只有PM讯号为恒包络 而PM讯号即RF载波 故此时的PM讯号 不但可以直接经由PA放大 而且因恒包络 更可以直接经由非线性PA放大 而AM讯号 为低频讯号 因此不能经由PA放大 而且又是非恒包络 更不能经由非线性PA放大 因此会有额外的放大调变机制 统称为EnvelopeAmplifier 来放大其AM讯号 最后再和放大后的PM讯号合成 GSMTXCalibration 上图为高通RTR6285A的Polar架构 IQ讯号会先在MSM里 转换成AM跟PM讯号 分别走不同路径 AM讯号因为是低频讯号 不会经过RTR6285A 也不会经过PA 而PM讯号则是会先在RTR6285A中 作上变频动作 再由RTR6285A 输出到PA做放大 最后再和已放大的AM讯号结合 GSMTXCalibration 那么 IQ讯号 是如何转换成AM与PM讯号呢 通常会使用所谓的CORDIC CoordinateRotationDigital 算法 将其直角坐标的IQ讯号 转为极坐标的AM跟PM讯号 R t 即AM讯号 t 即PM讯号 以上动作皆会在MSM内完成 即RectangulartoPolar的动作 另外 由于CORDIC本身也有非线性效应 若其输入的IQ讯号有其噪声 则会连带使接下来的AM跟PM讯号 以及PA的输出讯号 都一并失真 因此IQ讯号 多半为差分形式 主要是因为差分讯号具有良好的抗干扰特性 如此便可使IQ讯号 较不易受到噪声干扰 GSMTXCalibration 零中频的架构 容易会有LOleakage 本振泄露 的现象然而同样零中频架构 PolarModulation又比IQModulation 更容易有LOleakage的现象 因此在GSMTX校准过程中 必须一开始就先针对CarrierSuppression作优化 否则会连带使接下来的讯号 都一并失真 高通RTR6285A 在GSMTX校准过程中 会做DCCalibration GSMTXCalibration 因此由MSM到RTR6285A的PM讯号 会有两个路径 GSMTXCalibration AMAMAMPMGSMTX校准AMAMAMPM 上图中的H s 是Vramp跟Vcc的转移函数 因为Vcc是Vramp透过一个线性稳压器所得到的输出电压 所以其H s 会是一个线性的转移函数 也就是Vramp可以很精确地去控制Vcc 进而去改变PA输出功率 GSMTXCalibration 但PolarPA 本身是非线性PA 因此Vramp与PA输出功率 为非线性关系 将Vramp与Vcc以及PA输出的关系整理如下 而因为PolarModulation会把AM讯号跟PM讯号分离在结合 因此PA的输出 会同时包含振幅与相位 因此输出功率与输出相位 都会有非线性失真 特别是输出相位 由于PM讯号是直接进入非线性PA作放大动作 因此输出相位非线性失真的程度 会比输出功率非线性失真的程度 来得更加严重 其输出功率的失真程度 称之为AMAM 而输出相位的失真程度 称为AMPM PolarModulation技术 本身会具备既有的AMAM与AMPM失真 GSMTXCalibration 上图的Vapc 即Vramp 而以失真的角度而言 希望输出的功率与相位 与Vramp的对应曲线 能越线性越好 如上图的DesiredPAresponse 如此才能将非线性失真程度降到最低 GSMTXCalibration Pre distortion因此我们必须将非线性PA 即有的非线性失真 作线性化的动作 而RTR6285A在此采用的是所谓Pre distortion的技术 如下图 由上图得知 所谓的pre distortion 便是先提供一个与PA输出特性曲线完全相反的特性曲线 接着再合成 最后便能产生线性的输出 若将PA输出特性曲线以函数表示 则pre distortion 便是所谓的反函数 GSMTXCalibration 由上图得知 所谓的pre distortion 便是先提供一个与PA输出特性曲线完成相反的特性曲线 接着再合成 最后便能产生线性的输出 若将PA输出特性曲线以函数表示 则pre distortion 便是所谓的反函数 GSMTXCalibration PolarCalibration高通的RTR6285A 在做PolarCalibration时 手机会先发射一个ContinuousWave给Agilent8960或CMU200作量测 接着Agilent8960或CMU200会将量测结果在传回手机 即PA的特性曲线 GSMTXCalibration 最开始一段使用DAC14500 目的是要触发用 与PA特性无关 因此手机内部在做线性化时 会先将其去掉 接下来 每段的waveform都会以DAC4500作下一段referencepoint 但是注意这些reference段会导致相位漂移 GSMTXCalibration 接下来手机内部会将回传之PA特性曲线切割分段 并利用反函数方式 找出各小段所需要Pre distortion之补偿值 再在原来之PA特性曲线合成 完成线性化的动作 GSMTXCalibration AMAMAmplitudeDataProcessing1 使用绝对的dBm单位 确定所有points 2 去掉触发trigger段 3 去掉参考reference段 4 按照DAC值上升排序确认成对数据 5 根据NV AMAM DYN RANGE设置值 截断测试数据列表 6 执行Smoothing动作 7 产生NV值 GSMTXCalibration AMAMNVGeneration创建AMAMNVtable表 数据必须根据功率Power与DAC值得对应关系 插值进去 1 AMAMtable表是以1 8dbstep来进行索引 2 通过NV AMAM DYNAMIC RANGE定义了最小最大功率 即整个动态范围 3 整个table的元素是 MAX DYN RANGE MIN DYN RANGE 8 4 table表被分成8段 每段包括64元素 5 NV GSM AMAM MASTER TBL SEG1第一段的第一个DACvalue就是动态范围的最小功率值 GSMTXCalibration 实际执行Calibration后 其结果如下 GSMTXCalibration 谈一下DAC Vramp可改变输出功率 而Vramp是由MSM发出数字讯号 透过DAC转成的模拟控制电压 因为这便是为什么RTR6285A之AMAM与AMPM曲线图 其横轴非一般常见的inputpower dBm 而是直接用Vramp Vapc 或DAC来表示 因为当手机通话时 可利用LUT方式 将其所需之功率大小 反推出手机内部所对应之DAC值 以下图为例 当手机需要32 5244dBm的输出功率时 MSM便会发送10385的DAC值 GSMTXCalibration AMPMPhaseDataProcessing1 去掉触发trigger段 2 执行Unwrap动作 3 确定所有point的radians 4 计算每段的相位 需要跟邻近reference标准段进行比较 5 搬移shift这些数据 不能超过3 0radians 6 根据NV AMAM DYN RANGE设置值 截断测试数据列表 7 执行Smoothing动作 8 产生NV值 GSMTXCalibration AMPMNVGeneration创建AMPMNVtable表 数据必须根据相位Phase与DAC值得对应关系 插值进去 OtherCalibrationRelatedtoPolarCalibration TimingDelayCalibration为什么做TimingDelayCalibration 1 极化调制中 MSMdevice将信号分成phase路径与envelope路径 这两路分开的waveform 会带来不同的信号延迟 signaldelays 会影响最终合并起来waveform波形质量 2 对于phase与envelope路径需要保持同步 因此两路径之间的延迟 delay 需要校准和补偿 3 最佳延迟 best casedelay 是要在 400KHz与 400KHz调制测试 得到预期的最小ORFS 来得到最佳延迟 4 存入以下相应NV项 NV GSM Polar Path Delay I NV GSM 850 Polar Path Delay I NV DCS Polar Path Delay I NV PCS Polar Path Delay I WCDMA RFCalibration CalibrationContentWCDMARXCalibration TempCalibration温度ADC检测校准 LNACalibration接收灵敏度校准WCDMATXCalibration TXLinearCalibrationPA线性校准 确保输出信号功率的准确性 TXvsFreqComp输出功率相对频率的补偿 HDETCalibration高功率检测电路校准 确保大功率时功控的精度 TXLimvsFreq最大功率下相对频率的补偿 WCDMARXCalibration RXLNACalibration接收机电路工作原理 接收机的信号强度随着手机离基站的距离的远近而改变 因此 接收机的路径增益要求是可变的 目的是补偿Rx信号强度的改变 保证天线处的宽范围的信号强度在解调器的输入端被压缩成一个近乎恒定的电平 接收的射频信号在经过ADC转换后直接用DVGA DigitalVariableGainAmplifier数字可变增益放大器 调整信号的强度 进入基带处理电路 WCDMARXCalibration 接收机校准主要包括 DVGAOffset校准 LNAOffset校准接收机电路工作原理框图 WCDMARXCalibration 校准过程中将读取的DVGAgainoffset和LNAoffset填入对应NV项中对应的NV项为 NV WCDMA VGA GAIN OFFSET I NV WCDMA LNA RANGE OFFSET I NV WCDMA LNA RANGE OFFSET 2 I NV WCDMA LNA RANGE OFFSET 3 I WCDMARXCalibration DVGAOffset校准 表示从天线主口经过LNA和MIXER 到接收机内部的整个路径损耗值 WCDMARXCalibration DVGAGAINOffsetCalculatedAGCValue 1023 DynamicRange RxPower RxMin 512 Example RxPower 70dBm RisevalueofthefirstLNArange DynamicRange 85 3dB RxMin 106dBmCalculatedAGCValue 1023 85 3 70 106 512 80 实际值 理想值 WCDMARXCalibration CalibrationProcessing 校准流程 1 置手机工作于FTM模式 参考信道CH97432 置手机工作于LNA的最大增益状态 GainState0 3 置综测仪8960或CMU200输出功率 74dBm NV WCDMA LNA RANGE FALL I中定义 改变数据格式值为 AGCUnit 4 调用FTM命令GetDVGAOffset 5 GetDVGAOffset自动将获得的DVGAoffset值写入寄存器6 将GetDVGAOffset的返回值写入NV项NV WCDMA VGA GAIN OFFSET I WCDMARXCalibration FTM命令GetDVGAOffset 指令解释 1 首先将DVGAOFFSET清零2 置LNAgain状态为增益状态0 增益状态0为最大增益状态 3 加载NV LNA RANGE FALL并必须改变其数据格式 令该值为expectedagc value 4 读取RX AGC10次并求其平均值 同样须改变其数据格式 令该值currentagc value 5 DVGA OFFSET currentagc value expectedagc value 6 设置DVGA OFFSET WCDMARXCalibration LNAOffset校准 WCDMARXCalibration WCDMARXCalibration CalibrationProcessing 校准流程 1 置DUT工作于FTM模式 WCDMA模式 参考信道CH97432 置DUT工作于LNAGainState13 置综测仪8960或CMU200输出功率 66dBm NV WCDMA LNA RANGE RISE I中定义 改变数据格式值为 AGCUnit 4 调用FTM命令GetLNAOffset 需要两个参数 LNAoffsetindex LNAoffset 5 将GetLNAOffset的返回值写入NV项NV WCDMA LNA RANGE OFFSET I Notes LNAGainState2 LNAGainState3校准流程与以上一致 WCDMARXCalibration FTM命令GetLNAOffset 指令解释 1 读出当前LNAindexn2 在当前LNAindex n 读取RX AGC值10次并取其平均令该值为 previousRX AGC3 将LNAindex改为n 1 在该LNAindexn 1上读取RX AGC值10次并取其平均 令该值为 nextRX AGC 若n 1 LNA OFFSET nextRX AGC previousRX AGC若n 2 LNA 2 OFFSET LNA OFFSET nextRX AGC previousRX AGC WCDMARXCalibration DVGA信道补偿校准NV WCDMA VGA GAIN OFFSET VS FREQ I Datatype 8 bitsigned Datarange 128to127各测试信道下测得的DVGAoffset与参考信道下测试的DVGAoffset值的差值 LNA信道补偿校准NV WCDMA LNA OFFSET VS FREQ INV WCDMA LNA OFFSET VS FREQ 2 INV WCDMA LNA OFFSET VS FREQ 3 I Datatype 8 bitsigned Datarange 128to127各测试信道下测得的LNAoffset与参考信道下测试的LNAoffset值的差值 WCDMARXCalibration 校准频道列表AMSS支持多达16个频率信道校准可以选择16个信道的任何一个频道作为参考信道 WCDMARXCalibration WCDAM发射机校准 每个BAND测试频点16个WCDMA接收机校准 每个BAND测试频点16个EDGE发射机校准 每个BAND测试频点3个EDGE接收机校准 低BAND测试频点8个 高BAND测试频点16个测试频点 WCDMATXLinearCalibration 发射机电路框图 WCDMATXLinearCalibration 线性校准的必要性减少因射频功率放大器的非线性失真产生的新的频谱分量对相邻信道的干扰WCDMA 调制方式上行BPSK 下行QPSK 恒定包络调制 W系统对ACLR要求越高 相应地对PA地线性要求就越高 ACLR指标是为防止发射机对邻近频点通道造成干扰而设定的指标 它是衡量发射机非线性失真程度的一个重要指标HSDPA 调制方式为16QAM 正交调幅 均峰比大 WCDMATXLinearCalibration 发射机电路工作原理图 WCDMATXLinearCalibration PA的上升和下降切换点NV WCDMA Rz RISE INV WCDMA Rz FALL I启用定时器滞后功能来防止PA在不同增益状态间的频繁切换该NV定义的功率电平指的是天线端的 而非PA端不用的切换点应设置值为511NV WCDMA R1 RISE I 1024 85 3 Risethreshold minimumTxpower 512 WCDMATXLinearCalibration 放大器的线性特性Txoutputpower与TxAGCadjPDM控制信号间为非线性关系 具有中断 非单调性每个单体的Tx增益曲线都不一样通过校准 将能建立起Txoutputpower与TxAGCadjPDM控制信号的线性关系 WCDMATXLinearCalibration Tx的线性校准过程就是创建两组校准数据表 PDM表和MASTER表这两组表建立起Tx AGC ADJPDM控制信号同Txoutputpower间的线性关系 使用这两张表中的值 以及基带信号功率调节器 来控制整个Tx的输出功率 WCDMATXLinearCalibration PDM表和MASTER表TX线性校准生成的表分别存储在一下NV项中NV WCDMA TX PDM LIN 0 ENH I 64elements NV WCDMA TX PDM LIN 1 I 32elements NV WCDMA TX PDM LIN 2 I 32elements andNV WCDMA TX LIN MASTER 0 ENH 64elements NV WCDMA TX LIN MASTER 1 I 32elements NV WCDMA TX LIN MASTER 2 I 32elements PDM表 存储PDM值 用来设置输出功率电平控制值MASTER表 存储PDM表中每个PDM值所对应的Tx输出功率值每一个PAgainstate都有一套独立的线性表每个BAND只在参考信道下测试一套PDM和MASTER表 W