JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The constant evolution of wireless communication systems set more and more stringent demands for the equipment used to test these systems. The hardware and software solutions used in the measurement equipment are extremely complex. Because of this complexity, the production process of these equipment needs to include strict testing.

In this thesis, a radio frequency (RF) tester module for production testing of channel emulator RF module is designed. The thesis begins with an introduction to the device that needs to be tested, the channel emulator RF module. This RF module is part of the Keysight Technologies’ latest channel emulator model, PROPSIM FS16. The design of this thesis needs to enable the testing of the RF performance of the RF module transceiver.

Benefits of modular production principle are introduced on a general level, and the justification for the production testing is given. It is concluded that testing hardware in a modular testing system is necessary for ensuring the production flow and for ensuring that the final product fulfills the specifications promised to the customer.

Principles of RF testing are considered on a general level and the requirements regarding the designed RF tester module are presented. It is concluded that the RF tester module needs to route instrumentation signalling to the RF module. In addition, RF tester module needs to provide local oscillator signalling as well as DC power to the RF module.

In the design part, the hardware design of the RF tester module printed circuit assembly (PCA) is presented. General RF design principles are discussed and aspects regarding the RF tester module PCA are considered with details. These include isolation, crosstalk and noise.

Chosen components and the designed switching networks are elaborated and justified against the given requirements. It is found out that the instrumentation can be routed via a passive network, but the local oscillator networks need amplification to ensure correct power level. Active network power levels are verified with simulations and found out to be adequate. PCA layout design principles are reviewed on the extent that they play a prominent role in the RF PCA schematic design with the emphasis on the signal grounding issues.

Lastly, the verification and calibration of the designed PCA is described, and the validation of the RF tester module in the complete RF test system is presented. It was found out that some local oscillator signal levels are lower in the final design, than was expected based on the simulations. This caused some delay in the validation phase, by producing false negative test results. After test parameter adjustments, it was found out that the required tests can be executed successfully with the designed RF tester module.

Radiokanavaemulaattorin RF-moduulin testauslaitteiston kehitys

Tiivistelmä

Langattomien tietoliikennejärjestelmien jatkuva kehitys asettaa aina vain tiukempia vaatimuksia niiden testaamiseen tarkoitetuille laitteille. Näissä mittalaitteissa käytetyt laitteisto- ja ohjelmistoratkaisut ovat äärimmäisen monimutkaisia. Tästä johtuen, nämä laitteet täytyy tuotantovaiheessa testata erittäin tarkasti.

Tässä opinnäytetyössä suunnitellaan RF-testimoduuli kanavaemulaattorin RF-moduulin tuotantotestaukseen. Aluksi esitellään testattava laite, eli kanavaemulaattorin RF-moduuli. Esiteltävä RF-moduuli on Keysight Technologiesin viimeisimmän kanavaemulaattorin PROPSIM FS16 osa. Tässä työssä esiteltävän laitteen tarkoituksena on mahdollistaa RF-moduulin lähetin-vastaanottimen suorituskyvyn testaaminen.

Modulaarisen tuotannon edut esitellään yleisellä tasolla, jonka jälkeen perustelut tuotantotestaukselle esitellään. Päädytään johtopäätökseen, että moduulien testaus tuotannossa on välttämätöntä, jotta tuotannon kulku ja asiakkaalle luvatut spesifikaatiot voidaan varmistaa.

RF-testauksen periaatteet käsitellään yleisellä tasolla, minkä jälkeen esitellään tämän työn RF-testimoduulin vaatimukset. Testimoduulin tulee reitittää testauksessa tarvittava instrumentaatio RF-moduulille. Tämän lisäksi RF-moduuli tarvitsee paikallisoskillaattorisignaalit ja DC tehonsyötön toimiakseen.

Suunnitteluosiossa käydään läpi RF-testimoduulin piirilevysuunnittelu. RF- suunnittelussa huomioon otettavat seikat käsitellään niiltä osin kuin ne ovat relevantteja tässä työssä. Näitä ovat isolaatio, ylikuuluminen ja kohina.

Valitut komponentit ja suunnitellut kytkinverkot esitellään ja perustellaan aiemmin esiteltyihin vaatimuksiin pohjaten. Havaitaan että instrumentaatiolle riittää pasiivinen kykentäverkko, mutta paikallisoskillaattorien verkkoihin tarvitaan vahvistusta. Aktiivisten verkkojen tehotasot testataan simuloinneilla ja havaitaan riittäviksi. Suunnittelun lopuksi käsitellään piirilevyn layout-suunnittelun RF-teknisesti tärkeimmät seikat, merkittävimpänä maadoitus.

Lopuksi työssä suunniteltu RF-testimoduuli verifioidaan ensin piirilevytasolla, kalibroidaan ja validoidaan lopullisessa testijärjestelmässä. Havaitaan että välitaajuusoskillaattoreiden signaali on alhaisempi kuin on arvioitu. Tämä aiheuttaa virheellisiä testituloksia ja viivettä testirajojen asettelussa. Testiparametrien säädön jälkeen voidaan todeta, että työssä suunniteltua RF-testimoduulia voidaan käyttää RF- moduulin testausjärjestelmässä.