汽车射频接收器灵敏度平台搭建和测量

作者简介： 居大鹏，集成电路工程硕士，美国管理技术大学工商管理博士在读，负责智能汽车门禁解决方案芯片应用的技术支持。E-mail：david.ju@nxp.com。

0   引言

灵敏度（sensitivity）是衡量接收机检测发射器发出的无线信号有多灵敏，可以成功解码或者接收到最小电磁能量，它的单位是dBm，计算公式sensitivity ＝10×log (power)， 例如接收到的最小信号功率是0.000 000 000 01 mW，那么灵敏度就是-110 dBm。灵敏度是汽车电子射频接收模块的重要的性能参数，关系到接收PKE/RKE 钥匙和TPMS 模块的最大接收距离和接收微弱信号的能力，是射频接收模块性能重要的考量指标。因此了解在研发和量产时如何评估和测量灵敏度就显得尤为重要，汽车射频接收模块灵敏度的高低直接关系到终端用户的用车体验。

1   测试标准和灵敏度参数

本文的灵敏度测量是参考针对短距离的工作频率在（25 ~1 000）MHz 范围射频的欧洲标准ETSI EN300 220-1 来实施的， 灵敏度的接收比特误码率（Bit Error Ratio） 以10-3 为衡量标准。依据这个标准，可以计算出当射频信号发生器配置在一个最小的信号功率下，通过检查在10-3 的比特误码率（Bit Error Ratio）下接收到的帧的错误率Frame Error Ratio（FER）是多少，例如发射器发的数据的前导头（唤醒和同步帧）是16 bit，数据（payload）是128 bit，那么得到帧错误率如下：

FER = (16 + 128) × 10−3 = 14. 4%

射频接收芯片数据手册上的灵敏度的参数正是基于在一定的帧错误率（FER)、FSK/ASK 不同的解调方式、不同的解码方式、不同的数据通信率、频偏和带宽（Channel filter BW）等条件下保证的最低信号接收灵敏度，如表1 所示。

表1 NCK2913射频接收灵敏度性能参数^[1-3]

脱离了一定的测试条件，测试得到的灵敏度意义就不大。

2   测试硬件和软件的建立以及测试过程和优化方法

2.1 手动灵敏度测量的硬件、软件以及测试设备和工具

1）1 台射频信号发生器，可以发射射频接收模块需要的频率、FSK/ASK 调制、数据率等参数；测试315/434 MHz 的话，可以用例如R&S SMJ100A。

2）1 块设计好（匹配好射频天线阻抗）的demo board 或者射频模块，将demo board 的射频芯片烧录好固件，且demo board 留有天线SMA cable 接口或者测试点。

3）1 台安装Windows 7/Windows 10 操作系统的电脑，如果是测试例如NXP 射频芯片NCK2913 demoboard 灵敏度，可以预先安装NXP IREC 智能评估配置上位机工具；如果是零部件供应商自己开发好的硬件射频模块，需要事先开发好可以上电配置使模块工作的软件^[4-5]。

4）FTDI 5 V 数据线，可以通过USB 转UART 接口和IREC 配置工具控制例如NCK2913 demo board 工作在例如连续接收模式。

5）低损耗的射频SMA 适配器和线缆：连接信号发生器和demo 板。

2.2 手动灵敏度测量的软件、硬件和设备搭建（如图1）

按照图1 的搭建方法，将射频接收模块（例如NCK2913 demo）USB 插到电脑端，连接信号发生器的SMA 母头到NCK2913 demo SMA 公头，打开信号发生器准备配置信号发生器，打开PC IREC 上位机配置工具准备配置NCK2913 射频参数，NCK2913 芯片已经事先烧录好最新版本的固件，IREC 配置工具需要事先安装。如果是客户自己开发好的射频接收模块，需要通过LIN 或者UART 串口连接到电脑做数据接收。

图1 手动灵敏度测量软硬件平台搭建

2.3 配置NCK2913 demo的上位机IREC和设置信号发生器射频参数

通常会依据汽车厂商具体平台项目PKE/RKE/TPMS 的实际应用， 按照车厂制定好的PKE/RKE/TPMS 规格书配置射频模块的接收参数，本文举配置NCK2913 demo 为例。基本原则是确保射频信号发生器参数的设置和射频接收模块接收的参数的设置一一对应。例如：前导头（Run-in pattern）或者唤醒头(wake up pattern)、同步帧(preamble/FSYNC)、数据帧（Payload）；如果射频接收模块（例如NCK2913）在比较高的发射功率下接收不到信号发生器手动触发发出的数据时，就要仔细检查是不是在编码方式，数据格式等设置不正确。事先我们可以使用一个参考的TX 发射机检查待测的接收模块（DUT）接收功能是否正常，如图2 作为发送，图3 作为接收。从图3 接收到的数据看，可以知道NCK2913 RX 接收数据正常。

图2 NCK2983 TX IREC上位机配置工具设置

图3 NCK2913 RX IREC上位机配置工具设置和数据接收

NCK2983 TX demo

发送数据：112233445566778899aabbccddeeff，包的数量：10

NCK2913 RX demo

接收数据：112233445566778899abbccddeeff，包的数量：10

配置NCK2913 demo 的上位机IREC 和设置信号发生器射频参数做灵敏度测试的例子如图4、图5 所示。

图4 配置射频信号发生器参数

图5 NCK2913 IREC pc上位机软件射频参数配置

2.4 手动测量灵敏度操作流程

手动测量主要针对研发阶段少量的样品测试，需要用手去触发（execute trigger/single）执行单次发送，例如发送100 包数据，就要按压100 次，每次可以统计接收模块接收到的帧的错误率Frame Error Ratio（FER）是否大于之前计算的临界的FER，如果大于这个FER，那么将上一个TX power 功率值作为该模块的灵敏度，图6 是实验室手动测试的操作流程。

图6 手动灵敏度测量流程

2.5 产线自动化设备自动测试灵敏度

这里简单介绍一个测试框架，如图7，原理和手动测量灵敏度类似，但需要借助自动化的测试编程设备对待测接收器和射频信号发生器（发射器）进行控制，自动化的测试设备（上位测试设备）需要借助串口或者主机控制器接口完成对发射器（下位测试设备）和接收器（待测设备DUT）的同步，执行报文的发送和接收。在生产线上可能该自动化测试需要通过非传导的方式，即在屏蔽的腔体里通过天线辐射的方式进行收发测试，测试结束时，上位测试设备会将接收器（待测设备）收到的数据（bits）和发射器（下位测试设备）发送的数据进行比对，通过在设定好的发射功率下计算FER 来判断该灵敏度是否满足要求。

图7 产线自动化灵敏度测量框架图

2.6 接收灵敏度的优化方法

射频接收灵敏度的性能除了和芯片本身的内部射频电路设计相关外，外部的天线设计和天线匹配也会影响灵敏度。射频天线的设计需要遵循天线的设计原则同时也需要进行一定的仿真；在例如315/434 MHz频点下，天线匹配通常需要借助网络分析仪器用匹配网络将输入阻抗和输出阻抗分别匹配到50 欧姆；除了天线阻抗匹配，对接收器的射频参数配置和优化也很重要，其中有1 个重要的参数就是通道滤波（channel filter），又叫信号带宽（signal bandwidth）选择和设置；这项参数的设置很重要，选择过大的通道滤波会导致最大1%/ 最大3 dBm 的损失，选择过小的通道滤波也会导致较差的接收灵敏度或者数据丢帧。在设计的时候按照下面的公式计算信号带宽。

中心载波频率的偏差来自于发射器和接收器的晶振的不准确，以10-6 计算

frequency deviation（Δ f）：发射器频偏

data rate（fdat）：数据通信速率

frequency deviation’s tolerance（δf）：频偏的容差

data rate’s tolerance（δfdat）：数据通信速率的容差

max CFO[kHz]：Maximum Center Frequency Offset，最大中心频率偏差

3   结束语

本文基于NXP 汽车多通道射频接收器实施了灵敏度的测量，详细展示了如何搭建灵敏度的整个测试装置，也介绍了如何设置硬件和软件，包括信号发生器、NCK2913对应的电脑上位机IREC 软件配置；以及通过流程图的方式阐述如何在要求的一定帧的错误率条件下测量和得到接收器的灵敏度。在产线自动化设备测试灵敏度上介绍得较简单，后续可以在此基础上有更加深入的研究。最后也对设计过程中经常遇到的接收灵敏度的优化方法和经常容易被忽视的参数优化做了一些介绍。希望射频灵敏度的测量方法和设计思路能够对从事汽车电子射频模块设计工程师和测量工程师的实践有一定的指导意义，能够帮助射频工程师进一步了解射频模块的灵敏度评估方法。

参考文献：

[1] an454910 - Application note:Advanced receiver configuration - NCK2910 - Lizard(1.0)[Z].NXP,2017:7.

[2] an454710 - Application Note - Sensitivity Measurement-NCK2910–Lizard[Z].NXP,2017:5-6.

[3] NCK2913 Sparc - UHF multi channel receiver -Product data sheet[Z].2015:234-235.

[4] IREC(Intelligent Radio Evaluation & Configuration)[Z].Version:7.1_Rc3.

[5] HEYDON R.低功耗蓝牙开发权威指南[M].陈灿峰,刘嘉,译.北京:机械工业出版社,2018.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期）