阅读说明：本技术 用于测试能够确定多个射频信号的相对到达时间或到达角的待测设备（dut）的系统和方法 (System and method for testing a Device Under Test (DUT) capable of determining relative times of arrival or angles of arrival of a plurality of radio frequency signals ) 是由 赵彦方 克里斯蒂安·沃尔夫·厄尔高 于 2018-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于提供具有高时间颗粒度和一致宽带延迟性能的可变时间延迟以用于测试射频(RF)信号收发器的到达时间(ToA)或到达角(AoA)性能的系统和方法。可将多个延迟施加到公共RF信号以提供对应于源自源位置并且在具有相对于相应正交轴的相应位置坐标的各个位置处接收的RF信号的多个延迟RF信号,加上对应于源自源位置并且在正交轴的交集处的位置处接收的RF信号的另一个延迟RF信号。(Systems and methods for providing variable time delays with high time granularity and consistent broadband delay performance for testing time of arrival (ToA) or angle of arrival (AoA) performance of a Radio Frequency (RF) signal transceiver are disclosed. A plurality of delays may be applied to the common RF signal to provide a plurality of delayed RF signals corresponding to RF signals originating from source locations and received at respective locations having respective location coordinates relative to respective orthogonal axes, plus another delayed RF signal corresponding to RF signals originating from source locations and received at locations at the intersection of the orthogonal axes.)

用于测试能够确定多个射频信号的相对到达时间或到达角的 待测设备(DUT)的系统和方法

相关专利申请

本专利申请要求于2018年1月26日提交的美国专利申请号15/881,181的优先权，该专利申请的公开内容以引用方式明确地并入本文。

背景技术

本发明涉及无线设备的测试，并且具体地涉及控制传输到RF信号收发器待测设备(DUT)的多个射频(RF)信号的延迟以测试其确定此类延迟RF信号的相对到达时间(ToA)或到达角(AoA)的能力。

现今的许多电子设备使用无线信号技术来实现连接和通信的目的。由于无线设备发射和接收电磁能，并且由于两个或更多个无线设备的信号频率和功率谱密度有可能相互干扰对方的操作，因此这些设备及其无线信号技术必须遵守各种无线信号技术标准规范。

在设计此类无线设备时，工程师极其小心地确保此类设备将达到或超过每一种所包括的无线信号技术的规定标准规范。此外，当这些设备后来被大量生产时，还需要对它们进行测试，以确保制造缺陷不会导致不当的操作，包括它们遵守所包括的无线信号技术标准规范。

此类无线设备的测试通常涉及测试待测设备(DUT)的接收和发射子系统。测试系统将例如采用不同的频率、功率水平和/或信号调制技术向DUT发送规定的测试数据分组信号序列，以确定DUT接收子系统是否正常运行。类似地，DUT将以多种频率、功率水平和/或调制技术发送测试数据分组信号，供测试系统接收和处理，以确定DUT传输子系统是否正常运行。

为了在制造和组装之后测试这些设备，当前无线设备测试系统通常采用具有各种子系统的测试系统来为每个待测设备(DUT)提供测试信号并分析从每个DUT接收的信号。一些系统(通常称为“测试器”)至少包括用于提供待发射到DUT的源信号的一个或多个测试信号源(例如，以矢量信号发生器(VSG)形式)和用于分析DUT所产生的信号的一个或多个接收器(例如，以矢量信号分析仪(VSA)形式)。由VSG产生测试信号以及由VSA执行信号分析通常为可编程的(例如，通过使用内部可编程控制器或外部可编程控制器，诸如个人计算机)，以便允许每一者都可用于使用不同的频率范围、带宽和信号调制特性来测试多种设备是否遵守多种无线信号技术标准。

参照图1，典型的测试环境10a包括测试器12和DUT 16，其中测试数据包信号21t和DUT数据包信号21d作为经由传导信号路径20a在测试器12和DUT 16之间传导的RF信号进行交换，该传导信号路径通常以同轴的RF电缆20c和RF信号连接器20tc、20dc的形式。如上所述，测试器通常包括信号源14g(例如，VSG)和信号分析仪14a(例如，VSA)。测试器12和DUT16还可包括关于预定测试序列的预加载信息，通常体现在测试器12内的固件14f和DUT 16内的固件18f中。这些固件14f、18f内关于预定测试流程的测试细节通常要求测试器12与DUT 16之间通常经由数据分组信号21t、21d的某种形式的显式同步。另选地，测试可由控制器30控制，该控制器可内置于测试器12或者如这里所示外置(例如，编程个人计算机)。控制器30可经由一个或多个信号路径(例如，以太网布线等)31d与DUT 16通信以传送命令和数据。如果置于测试器12外部，则控制器30还可经由一个或多个附加信号路径(例如，以太网布线等)31t与测试器12通信，以传送附加命令和数据。

参照图2，另选的测试环境10b采用无线信号路径20b，测试数据包信号21t和DUT数据包信号21d可经由该无线信号路径通过测试器12和DUT 16的相应天线系统20ta、20da通信。

通常，当使用测试器测试无线设备(例如，无线保真(WiFi)、蓝牙、Zigbee、Z-Wave或类似设备)时，一旦已在测试器和DUT之间建立通信，则测试器和DUT将执行测试流程，在此期间，测试器或控制器控制DUT的行为(例如，通过经由与DUT相关联的驱动软件执行控制命令)。命令可包括指示DUT从测试器接收测试分组，或将分组发射到测试器。还可控制分组的特性，诸如功率水平、频率、数据速率、调制等。

当前，更多的无线设备包括用于确定其物理位置的位置感知能力。内部无线定位系统使用能够从各种内部传感器获得的定位信息以及测量从外部源接收的信号的某些特性。例如，可通过测量输入信号参数诸如输入信号的到达时间(ToA)或到达角(AoA)来估计设备的相对位置。然而，已经证明在生产测试环境中执行此类能力的准确且时间有效的测试具有挑战性。例如，移动应用中AoA测试的时间延迟分辨率通常在几十皮秒(psec)的范围内，这是很难生成的信号。而且，一种测试技术涉及空中(OTA)测试。然而，OTA测试需要信号源和待测设备(DUT)之间的距离较大，以确保在接收天线处接收平面信号波。此外，不同延迟和入射角的测试需要改变DUT相对于源的此类距离和重新取向(例如，旋转)。这两个要求都很难在测试环境中实施。因此，鉴于此类设备的用户对准确定位数据的需求增加，需要执行此类测试的系统和方法。

发明内容

本发明公开了用于提供具有高时间颗粒度和一致宽带延迟性能的可变时间延迟以用于测试射频(RF)信号收发器的到达时间(ToA)或到达角(AoA)性能的系统和方法。可将多个延迟施加到公共RF信号以提供对应于源自源位置并且在具有相对于相应正交轴的相应位置坐标的各个位置处接收的RF信号的多个延迟RF信号，加上对应于源自源位置并且在正交轴的交集处的位置处接收的RF信号的另一个延迟RF信号。

根据示例性实施方案，一种用于测试能够确定多个射频(RF)信号的相对到达时间(ToA)或到达角(AoA)的待测设备(DUT)的系统包括：RF信号源，该RF信号源提供公共RF信号；多个信号端子；以及延迟电路，该延迟电路与RF信号源和多个信号端子电连通，所述延迟电路通过将多个可变延迟施加到公共RF信号以向多个信号端子中的每个信号端子提供多个延迟RF信号中的相应一个延迟RF信号来响应一个或多个控制信号。该多个延迟RF信号包括：第一延迟RF信号，该第一延迟RF信号对应于源自源位置并且在第一位置处接收的第一RF信号，该第一位置具有相对于多个正交轴中的第一正交轴的第一多个位置坐标中的一个位置坐标；以及参考延迟RF信号，该参考延迟RF信号对应于源自源位置并且在多个正交轴的交集处的参考位置处接收的第四RF信号，其中响应于多个可变延迟中的第一可变延迟和第二可变延迟，第一多个位置坐标包括第一多个位置坐标中的第一不同位置坐标和第二不同位置坐标。

根据另一个示例性实施方案，一种用于测试能够确定多个射频(RF)信号的相对到达时间(ToA)或到达角(AoA)的待测设备(DUT)的方法包括：生成公共RF信号；提供多个信号端子；并且通过将多个可变延迟施加到公共RF信号以向多个信号端子中的每个信号端子传送多个延迟RF信号中的相应一个延迟RF信号来响应一个或多个控制信号。该多个延迟RF信号包括：第一延迟RF信号，该第一延迟RF信号对应于源自源位置并且在第一位置处接收的第一RF信号，该第一位置具有相对于多个正交轴中的第一正交轴的第一多个位置坐标中的一个位置坐标；以及参考延迟RF信号，该参考延迟RF信号对应于源自源位置并且在多个正交轴的交集处的参考位置处接收的参考RF信号，其中响应于多个可变延迟中的第一可变延迟和第二可变延迟，第一多个位置坐标包括第一多个位置坐标中的第一不同位置坐标和第二不同位置坐标。

附图说明

图1示出了用于导电或有线环境中的射频(RF)数据分组信号收发器待测设备(DUT)的典型测试环境。

图2示出了用于辐射或无线环境中的RF数据分组信号收发器DUT的典型测试环境。

图3和图4示出了用于确定输入信号的到达时间(ToA)和到达角(AoA)的二维(2D)信号接收环境。

图5示出了用于确定输入信号的到达角(AoA)的三维(3D)信号接收环境。

图6示出了根据示例性实施方案的在测试期间多个接收到的测试信号的测量空间关系。

图7示出了根据示例性实施方案的具有用于产生图5的测试信号的多个信号延迟子系统的系统。

图8示出了根据示例性实施方案的用于图7的信号延迟子系统的电路拓扑。

图9示出了根据示例性实施方案的用于图7的信号延迟子系统的另一个电路拓扑。

具体实施方式

以下详细描述是结合附图的受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案。关于本发明的范围，此类描述旨在进行示例而非加以限制。对此类实施方案加以详尽的描述，以使得本领域的普通技术人员可以实践该主题发明，并且应当理解，在不脱离本主题发明的实质或范围的前提下，可以实践具有一些变化的其他实施方案。

在本发明全文中，在没有明确指示与语境相反的情况下，应当理解，该单独的电路元件可以是单数或复数。例如，术语“电路”以及“电路系统”可以包括单个部件或多个部件，部件为有源的和/或无源的，并且连接或换句话讲耦接到一起(例如，成为一个或多个集成电路芯片)，以提供所描述的功能。另外，术语“信号”可指一个或多个电流、一个或多个电压或数据信号。在图中，相似或相关的元件将具有相似或相关的字母、数字或数字字母混合的指示。此外，虽然在使用分立的电子电路系统(优选地为一个或多个集成电路芯片的形式)的具体实施的背景中讨论了本发明，但另选地取决于待处理的信号频率或数据速率，此类电路系统的任何部分的功能可使用一个或多个适当编程的处理器来实施。此外，就示出各种实施方案的功能区块的示意图的图示来说，该功能区块未必表示硬件电路系统之间的分区。

无线设备诸如蜂窝电话、智能电话、平板电脑等采用基于标准的技术，诸如IEEE802.11a/b/g/n/ac(“WiFi”)、3GPP LTE、蓝牙、Zigbee、Z-Wave等。构成这些技术之基础的标准被设计成提供可靠的无线连接和/或通信。这些标准规定了物理和更高层的规范，这些规范通常被设计成节能并且最大程度降低使用与无线频谱相近或共享无线频谱的相同或其他技术的设备之间的干扰。

这些标准所规定的测试意在确保此类设备被设计成符合标准所规定的规范，并且确保所制造的设备一直符合那些规定的规范。大多数设备为包含至少一个或多个接收器和一个或多个发射器的收发器。因此，测试旨在确认接收器和发射器是否均符合要求。DUT的接收器测试(RX测试)通常涉及发送测试分组到接收器的测试系统(测试器)以及确定DUT接收器如何响应这些测试分组的某种方式。DUT的发射器测试(TX测试)通过使其发送分组到测试系统来执行，该测试系统随后可评估来自DUT的信号的各种物理特性。

无线设备诸如WiFi、蓝牙、Zigbee和Z-Wave设备的测试已从测试器和DUT之间的频繁双向消息传递进展到不经常的消息传递，其中使用非链路测试方案在测试器和DUT之间执行和协调测试流程的主要部分，其中只有唯一的设备标识符和PHY的部分是有源的。然而，此类测试的结果通常会经由通信端口和通路从DUT传输至测试器，因为上一级的协议栈不是有源的，从而阻止数据轻易地在传输分组中被传输。因此，在DUT与测试器之间的唯一连接是传导信号路径或辐射信号路径并且交换的数据是经由数据分组进行交换的情况下，如果可能，DUT可能难以使用非链路测试方法向测试器传输测试结果。如下文更详细地描述，根据当前受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案，可至少部分地通过在下层网络数据分组信号通信协议进行测试来执行RF数据分组收发器的测试。

如下文更详细地讨论，提出了可编程延迟设计，该可编程延迟设计与校准一起可实现对DUT的接收天线端口处的相对信号到达时间的精确控制。此类可编程延迟设计可用无源信号延迟元件诸如印刷传输线来实施，这可提供优于其他方法诸如无功(例如，电感加电容)电路、同轴电缆或有源信号延迟线电路的优点。优点包括更精细的颗粒度(例如，通过改变物理传输线长度)、快速延迟切换、宽带宽、高动态范围(独立于信号电平)和操作环境稳定性。与校准过程一起，该方法可实现定位系统的高度可重复且准确的时间测量能力。

参考图3和图4，可通过测量TOA(图1)和AOA(图2)来估计位置感知设备的无线定位系统中的定位信息。这些参数通过测量接收信号τ1、τ2的时间差Δτ来导出并根据已知原理将其转换成距离d和/或角度ψ信息。

参考图5和图6，出于3D定位的目的，可以通过测量沿其相应笛卡尔轴X、Y、Z的入射角ψx、ψy、ψz来确定AoA。每个角度测量需要两个元件，因此需要四个天线端口a0、ax、ay、az，并且可如图所示进行布置。

参考图5，被认为位于三个正交轴X、Y、Z的原点的DUT 50从位于相对于DUT 50的方向Ψx、Ψy和Ψz的点源52接收信号。换句话讲，信号点源52的位置位于三个圆51x、51y、51z的截距处，沿这三个圆的点相对于三个轴X、Y、Z具有恒定角度Ψx、Ψy、Ψz。

参考图6，表示由点源52生成的平面波的部分的四条射线53a、53x、53y、53z到达DUT天线元件a0、ax、ay、az。假设源52和DUT 50之间的距离非常大(就信号波长的数量而言)，因此可忽略由于轴向偏移引起的延迟变化。然后可通过天线元件对(a0,ax)＝>Ψx、(a0,ay)＝>Ψy和(a0,az)＝>Ψz来测量三个到达角。

参考图7，可通过将来自RF信号源114g(例如，测试器112内的VSG)的公共RF信号115提供给四个可变时间延迟电路130a、130x、130y、130z(在下文更详细地讨论)中的每者，这四个可变时间延迟电路中的每者可根据来自控制源140(例如，测试器112内或外部)的一个或多个控制信号141来控制(例如，编程)。所得的延迟信号131a、131x、131y、131z优选地经由相应传导信号路径132a、132x、132y、132z(例如，RF电缆)传送到DUT 116的天线阵列136的端子134a、134x、134y、134z。如上所述(关于图5和图6)，由此提供的四个信号具有相应信号延迟τ0、τ0+Δτx、τ0+Δτy、τ0+Δτz，其中τ0是由延迟电路130a、130x、130y、130z中的每者引入的恒定延迟，并且添加延迟Δτx、Δτy、Δτz中的每者是由延迟电路130x、130y、130z中的相应一者针对方向分量信号131x、131y、131z引入的不同延迟。

参考图8，根据示例性实施方案的具有多个信号延迟子系统的系统230a包括经由信号路由级232、234、236、238相继耦接的能够控制信号延迟的多个级242a、244a、246a。适合用作信号路由级232、234、236、238的电路的示例包括(但不限于)单刀四掷(SP4T)RF信号开关。输入级232的极可接收公共RF信号115，并且输出级238的极可提供所得的延迟信号231a。中间级234、236可包括经由其相应极互连的SP4T RF信号开关234a、234b、236a、236b。

信号延迟级242a具有τ0、τ0+τS、τ0+2τS、τ0+3τS的子级可用信号延迟，其中τ0是恒定延迟，并且τS是所需的附加延迟步长或持续时间。下游信号延迟级244a、246a具有对应的添加信号延迟，这些对应的添加信号延迟依次升高三倍：τ0+4τS、τ0+8τS和τ0+12τS、以及τ0+16τS、τ0+32τS和τ0+48τS。

参考图9，根据另选的示例性实施方案的具有多个信号延迟子系统的另一个系统230b类似地包括经由信号路由级232、234、236、238相继耦接的能够控制信号延迟的多个级242b、244b、246b。然而，在这种情况下，所选择的信号延迟子级242ac、244ac、246ab已从其先前的延迟级242a、244a、246a重新定位到其他延迟级244b、242b，并且不同的延迟子级242be(τ0+9τS)、244be(τ0+18τS)、246be(τ0+36τS)已被取代。这有利地产生具有较高信号延迟和较低信号延迟的相应组合的信号延迟级242b、244b、246b，当在无源信号元件诸如微带中实施时，这些信号延迟可在物理上更一致紧凑的电路设计中实施。

根据示例性实施方案，典型的共同延迟步长持续时间τs可为5psec，但可根据测试条件和性能要求使用其他持续时间。

基于上述讨论，可以容易地理解，此类延迟电路拓扑使得测试系统能够以多种优点高准确度地测试3D AoA，包括：宽频率范围内的平坦延迟响应；与信号电平无关的响应延迟；至少300psec的可用调节范围(例如，等同于10cm的RF信号传播距离，这是最近的室内定位系统所需的准确度)；5psec的延迟步长以确保角度测量准确度仅受到接收信号的信噪比(SNR)的限制而几乎没有来自测试系统的贡献；由可编程延迟元件启用的精确时间延迟控制；在多路径和噪声的影响下以高准确度测试3D AoA；对接收天线阵列的输入进行可编程延迟控制以用于角度和距离测试；校准并保留每个延迟组合以确保可精确地导出时间信息；快速延迟切换间隔(例如，在20微秒内)以确保切换时间不会显著地有助于整体ToA或AoA测试时间(其通常在若干毫秒的范围内)；使用印刷传输线结构(例如，微带)以实现具有宽带性能、优异的可重复性和成本效率的精细延时控制。由于测试器和DUT的时钟信号源(其通常是独立的，例如，不是频率锁定的)的频率漂移引入的不准确性，可用延迟间隔之间的快速切换可能特别重要。由于测试器时钟信号频率和DUT时钟信号频率彼此漂移分开，甚至仅轻微地漂移，因此它们漂移足够远以与切换延迟间隔相比变得显著，在这种情况下延迟测量会受到影响。因此，可越快调节延迟，由于时钟漂移而引起的错误就越少。而且，如上所述，级联的四开关结构可用于实现具有最小路径损耗的高延迟分辨率，其中宽带的宽动态范围RF开关在频率、温度和RF信号功率电平上保持稳定性。此外，使用多个信号路径使得能够控制超前-滞后延迟条件以在AoA测试中提供全锐角测量。

在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本发明的结构和操作方法的各种其他修改和替代对本领域的技术人员将是显而易见的。虽然结合具体的优选实施方案对本发明进行了描述，但应当理解，受权利要求书保护的本发明不应不当地限于此类具体实施方案。其意图是，随附权利要求书限定本发明的范围，并且由此应当涵盖这些权利要求书以及其等同物的范围内的结构和方法。