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Previous Work
Over the past few years, analog and mixed-signal test and testability has been a subject of intense research. Traditional production testing of transceivers relies on specialized machines, known as Automated Test Equipment (ATE) units, [Wolf et al., 2006; Cruz et al., 2010]. ATEs are fast, accurate and recon gurable, but also very expensive and hard to master. Besides, they are too cumbersome and fragile for the harsh conditions typical of tactical radio deployments. These shortcomings gave impulse to continuing research e orts for cost e ective alternatives.
One such alternative, borrowed from digital testing research, is the idea of introducing Built-In Self-Test (BIST) techniques to eliminate or reduce the need for external instrumentation. Analog and mixed-signal (AMS) BIST techniques consist in placing the test circuitry directly on the same die (or on-board) as the desired Device Under Test (DUT) and generally entail additional circuitry and reuse of resources available (DSP, converters, memory). Compared to the digital test strategies that have matured to a high-level of automation (insertion of test ports and generation of test vectors), the test of AMS BIST strategies are still device (or architecture) speci c. It could be argued that this is mainly because, contrariwise to digital circuits, truly generic analog faults model are yet to be de ned.
Several AMS BIST techniques targeting speci cally RF transceivers (RF BIST) have been proposed. The loopback approach is one of the most cited RF BIST technique [Onabajo et al., 2009; Negreiros et al., 2007; Dabrowski and Bayon, 2004; Nassery and Ozev, 2012; Haldes et al., 2005]. In a nutshell, RF loopback consists in using the transmitting part (TX) to excite some parts or all of the receiver (RX) . The key feature is to add components that allow the recon guration of the on-board (or on-chip) resources to carry out some type of characterization.
Loopback BIST is an attractive proposition, although it has two major drawbacks. The rst one is fault masking, a situation where a (non-catastrophic) failure of the TX is covered up by an exceptionally good RX, or the inverse. A marginal product could then go undetected (test escapes). The second drawback of BIST loopback is that it is not applicable directly to all transceivers architectures (e.g. [Dabrowski and Ramzan, 2010]). In spite of its shortcomings, loopback BIST has been often implemented and reported as e ective: Onabajo et al. [2009]; Negreiros et al. [2007]; Dabrowski [2003]; Dabrowski and Bayon [2004]; Haldes et al. [2005]; Nassery and Ozev [2012]. The large number of publications shows the continuing interest in the topic.
Several sensitization techniques that aim to improve loopback observability (i.e. combat fault masking) have been proposed. In Erdogan and Ozev [2008]; Nassery and Ozev [2012] the authors rely on analytical behavioral models and simple input stimuli (sinusoid or multi-tone signals) to extract the most important nonlinearities and IQ imbalances in a quadrature transceiver (phase mismatch, gain mismatch, DC o set, and time-skew). This approach yields few test-escapes and demands low computational e ort. However, it is limited by the completeness of the model. Under con gurations unforeseen by the model, the entire test strategy will fail.
Another interesting RF BIST strategy is ’alternate test’, in which the standard speci cations are predicted from a set of ’easily’ measurable parameters that are strongly correlated with the speci cations one wishes to check [Natarajan et al., 2008; Halder et al., 2008; Haider et al., 2003; Maliuk et al., 2010]. The alternate tests are based on heuristic models, obtained a priori through simulations. These alternate tests are prone to errors such as test-escapes and yield loss, which are hard to predict. Test metrics coverage estimation techniques can help only if an extremely large number of units can be measured beforehand. Tactical radio unit production runs are far below these numbers.
It’s evident that the SDR unit itself is a sophisticated RF instrument, i.e. a powerful platform that could be harnessed for test purposes, if some form of BIST strategy could be devised and implemented on it. However, the adoption of the previous mentioned RF BIST proposals for tactical SDR platforms is inherently hampered by the fact that RF systems BIST schemes generally target a xed architecture, are optimized for a speci c standard, or require very large training sets, and are, as such, better suited for factory test of mass market products. Test strategies that use a given fault model must necessarily hold assumptions on the operation modes of the radio, whereas in SDR platforms nearly all aspects are eld-con gurable. In this scenario, speci cation-based testing seems unavoidable. The outstanding challenge for SDR testing is then how to conduct speci cation testing without external equipment.
Our Work
The aim of our work is to propose and develop a new test methodology able to guarantee the correct functioning of the SDR platform. An example of such a platform, developed by Thales Communications & Security, is shown in Fig. 1.2. Our key idea is to use an alternate loopback path to observe the TX output signal just ahead of the antenna. The output waveform is routed back into the last stage of the main receiver (RX) chain (the ADCs), by using a small amount of analog circuitry, some digital control of clock delays, and a lot of complex signal processing. In e ect, an auxiliary subsampling receiver (auRX) based on Periodically Nonuniform Sampling of second order (PNS2) provides an alternate demodulation path to characterize the main TX.
Research Contributions
Figure 1.2: FlexNet. Vehicular wideband SDR platform sold by Thales Communications and Security.
This is feasible because the demodulation channel requirements in TX test mode are somewhat less stringent (i.e. no blockers) than during normal radio use.
We propose two similar implementations di ering on how the sampling process is carried out: a voltage-based sampling (VBS) implementation and a charge-based sampling (CBS) im-plementation. The VBS BIST implementation places stringent requirements on the added undersampling circuitry, and su ers from jitter in the two clock signals driving them. The CBS implementation, lessens these burdens by means of charge-domain sampling. The e ectiveness of the two BIST architectures was veri ed by way of simulations using a behavioral model of an homodyne transmitter written in Matlab. We conducted a theoretical analysis, built a model from analytical equations, and then ran extensive simulations. The two architectures were com-pared. The results of the comparison show that the CBS BIST architecture performs better, is more robust against clock jitter and is easier to implement. The CBS auRX loopback gives us an accurate estimate of TX performance across the whole output frequency range while relaxing the technological requirements on the added circuit blocks.
A crucial speci cation for TX compliance is the Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), which is rarely addressed by existing BIST techniques [Halder et al., 2008] due to the complexity of the measurement. Our proposed BIST scheme aims to ll this gap and extract the ACPR accurately. It can also handle less demanding measurements, such as Third Order Interception Point (IP3) , gain, and I/Q imbalance without any hardware modi cations, using existing signal processing algorithms.
Our test solution is scalable across a wide set of complex speci cations and can be easily applied for in- eld testing with modest additional cost. Compared to existing analog/RF test techniques, this approach is not limited to a given TX architecture and does not rely on an ad-hoc TX model, which makes it ideal for SDR testing. Interestingly, our approach can also be pro tably applied in TX architectures that use pre-distortion compensation to improve power ampli er (PA) linearity, when the RX channel is idle.
Research Contributions
The overall objective of the research described in this dissertation is to develop an low-cost SDR BIST strategy for post-manufacturing and in- eld test.
First, we invented a novel BIST architecture for SDR testing, aimed at speci cation test using loopback. The speci cation-based test strategy relies on the I/Q RX ADCs and PNS2 to characterize the TX path separately from the RX path. Our initial e orts target spectral mask estimation at the output of the TX for any mode of operation and architecture. We show that this architecture lends itself well to a simple standalone implementation and can be wholly implemented within the SDR platform.
The main obstacle for the PNS2 reconstruction is to have an accurate estimate of an in-crementally controlled delay element. We introduced an LMS-based estimation algorithm that addresses the uncertainties in our BIST architecture: time delay and gain mismatch. Our al-gorithm solves these issues robustly and opens the road for a complete self-calibrating BIST architecture.
Finally, we developed an improved implementation of the BIST architecture which uses CBS that is more robust and performs better.
Thesis Organisation
This dissertation is organized as follows. Chapter 3 brie y presents the most common architec-tures of an SDR platform. The fundamentals gures of merit that quantify the performance of an RF transceiver are quickly reviewed. The purpose of this section is to give a better under-standing of the challenges faced by the test engineers when dealing with modern transceivers platforms.
The state of the art in the eld of testability of RF systems is introduced in Chapter 4. The most frequently reported RF test strategies are discussed. As the eld of SDR testing is relatively new, the literature is focusing mainly on the test of consumer products RF devices. The discussion is centered around the possibility of adjusting these techniques so they will meet the challenges introduced by the exibility of an SDR platform.
Chapter 5 introduces the mathematical tools on which our proposed test strategy is based. The concept of periodically nonuniform sampling (PNS2) is explained by relating it with classic Nyquist sampling and undersampling. Then, we discuss the advantages of PNS2 over other possibilities and we motivate our choice. The most critical limitations of PNS2 are also given considerable attention.
Chapter 6 gives the implementation of our proposed test strategy. Two di erent architec-tures are discussed and compared. Here we examine the concerns and potential problems that could arise and we propose solutions to mitigate them. The models and the simulations param-eters are also explained in here. Extensive simulations show the feasibility and the potential of the proposed technique.
The nal chapter presents our conclusions and perspectives for future works. We list several directions of research that arose from this study.
Le secteur des communications securises et portables connait une veritable revolution avec l’apparition des plateformes dites radios logicielles (Software De ned Radios, SDRs). Dans ces plateformes, une grande partie des fonctionnalites de la radio sont obtenues gr^ace au logiciel et a des blocs electroniques numeriques programmables. Ceci confere au produit ni une grande exibilit pour s’adapter a une large gamme de modulations et scenarios d’utilisation, mais aussi la possibilite d’une economie d’e ort de developpement par l’utilisation du m^eme code sur plusieurs generations de plateformes materielles.
Les caracteristiques e ectives du produit ni sont le resultat d’une interaction complexe et souvent peu evidente entre le logiciel embarque, le circuit de traitement numerique et le bloc mixte RF/analogique (voir Fig. 2.1). Le developpement de chacun de ces composants au niveau de l’etat de l’art requiert des connaissances approfondies et des outils speci ques.
Le SDR est une plateforme multifonctions exible, con gurable par logiciel et pouvant evoluer dans le futur. Actuellement, ces plateformes sont testees essentiellement par le bias des applications existantes, c.a.d. avec des montages ad hoc di cilement modi ables en util-isant des ATE (Automatic Test Equipments). Cette methodologie a atteint ses limites dues au co^ut elev de l’outillage RF externe, du long temps de test et du manque de exibilit . Pour reduire le cout de test et par consequence le co^ut du produit, l’industrie requiert des strategies de test capables d’identi er rapidement les unites defectueuses de facon independemment de leur application. Dans ce contexte, le but de notre recherche est d’inventer et developper une methodologie de test capable de garantir le bon fonctionnement d’une plateforme SDR apres la production et sur le terrain.
Dans ce manuscrit, on introduit une nouvelle architecture de rebouclage qui est concue pour eviter le masquage et pour permettre un test complet des transrecepteurs SDR en n de produc-tion et sur le terrain. L’idee fondamentale de notre proposition est de tester d’abord l’emetteur en utilisant un circuit auxiliaire BIST. Le but de ce circuit est de sous-echantillonner le signal a la sortie de TX et de le transferer au processeur numerique a l’aide des deux convertisseurs CAN integres dans la chaine de reception. La conversion du signal RF est realisee en utilisant une technique de sous-echantillonnage non-uniforme decrite plus en detail dans une section fu-ture.
Nos e orts initiaux se focalisent sur la caracterisation du masque spectral a la sortie du TX. Plus particulierement, on s’interesse a la mesure de la puissance dans les canaux adjacents (Adjacent Channels Power Ratio – ACPR) qui est tres rarement adress dans les BISTs exis-tantes a cause de la complexit des leurs mesures. Neanmoins, notre technique peut mesurer des speci cations moins compliques en utilisant des algorithmes de traitement de signal sans modi cations hardware.
La contribution principale de nos travaux consiste dans la proposition d’une technique de test d’un emetteur SDR basee sur la technique de sous-echantillonnage nonuniforme. Celle ci permet la caracterisation de TX dans toutes les modes d’operation. Notre but nal est d’eliminer les problemes de masquage de defauts existants dans un rebouclage classique.
Ce chapitre consiste en un resum du rapport en anglais et il est structure comme suit. La premiere section resume les plus importantes caracteristiques qui de nissent une radio logi-cielle. La section suivant decrite l’etat de l’art du domaine de testabilit des systemes mixtes RF/Analogiques en general, en se focalisant en particulier sur le cas des transceivers radio. Ensuite, notre architecture de test et des resultats obtenus en simulation sont presentes. La derniere section contient des conclusions et perspectives pour de futurs travaux.
Radio logicielle
Une radio logicielle est un emetteur/recepteur radio realis principalement par logiciel et dans une moindre mesure par materiel. Dans un systeme radio classique, l’emission/reception est assuree par des composants materiels (oscillateurs, ltres) speci ques et adaptes aux systemes auxquels il est destin . Il n’est donc souvent pas possible d’utiliser d’autres systemes sans changer le materiel et donc l’integralit du recepteur. C’est l’avancement des plateformes (DSP, FPGA) et des algorithmes de traitement numeriques qui a permis l’apparition des radios logi-cielles. Dans ces systemes, les traitements realises classiquement par des circuits analogiques ( ltrage, decimation, demodulation, decodage) peuvent ^etre desormais realises de facon logi-cielle. Cela confere une universalit et une grande adaptabilite a l’emetteur/recepteur. En e et, il su t de changer ou d’adapter le logiciel pour fonctionner avec un systeme radio dif-ferent.
Test RF
Dans la litterature la radio logicielle a et presentee pour la premiere fois par Mitola dans Mitola [1993]. Aujourd’hui les radios logicielles sont utilisees par exemple dans les reseaux radio-mobiles (GSM, UMTS, etc.) au niveau des stations de base (BTS, Base Transceiver Stations) et comme systemes de communications militaires. Les avantages d’une radio logicielle par rapport a une structure classique de transceiver RF sont :
le developpement de plusieurs produits radios en utilisant une seule architecture, ce qui ecourte le delai de commercialisation permettre la reutilisation du logiciel par di erents produits radios ce qui reduit le cout de developpement la programmation a distance qui permet la mise-a-jour et la maintenance du produit a distance Idealement, une radio logicielle ne serait composee que par des unites de traitement numerique connectes par l’intermediaire de CNAs et de CANs a l’antenne. Cependant, un schema ideal n’est pas realisable a cause des limites technologiques et on retrouve dans une radio logicielle des composants analogiques : ampli cateurs de puissance, melangeurs. Ils sont les composants analogiques/mixtes qui limitent la testabilit des plateformes SDRs qui constituent le coeur de notre recheche.
Test RF
Dans le chapitre precedent nous avons decrit la complexit et la exibilit des plateformes SDR. Nous avons vu que, pour l’utilisateur nal ceci confere au produit ni la possibilite pour s’adapter a une large gamme de formations et scenarii d’utilisation. De plus, pour le client s’ajoute la possibilite d’une economie d’e ort de developpement par l’utilisation du code sur plusieurs generations de plateformes materielles.
Neanmoins, les caracteristiques e ectives du produit ni sont le resultat d’une interaction complexe et souvent peu evidente entre le logiciel embarque, le circuit de traitement numerique et le bloc mixte RF/analogique. Cette complexit rend le test du produit ni extr^emement complique et co^uteux.
Dans cette section, on expose une vue d’ensemble des techniques de test des circuits elec-troniques les plus prometteuses. Ensuite, on analysera comment ces techniques peuvent ^etre adaptees pour le test des plateformes radio logicielles.
Test et testabilit des systemes electroniques
Realiser le test d’un circuit signi e detecter qu’un circuit ne fonctionne pas conformement aux speci cations (pour des raisons de fonctionnalite logique, de vitesse de fonctionnement ou encore de niveaux electriques). Dans la majorite des cas, le test sert uniquement a distinguer les circuits < bons >, c’est-a-dire pouvant ^etre livres au client, des circuits < mauvais > qui sont a eliminer. La cause exacte du mauvais fonctionnement n’a la plupart du temps pas a ^etre analysee.
Dans certains cas cependant, la cause du mauvais fonctionnement doit ^etre identi ee. C’est le cas d’une plateforme SDR qui est modulaire et ou l’identi cation de la cause et du mauvais module est souhaitee. Dans ce cas, le test n’est plus su sant ; il doit ^etre complet par une phase de diagnostic, qui necessite une analyse beaucoup plus longue et detaillee. La technique de test que l’on a propose cible donc l’identi cation de la cause du mauvais fonctionnement.
Test RF
Le mauvais fonctionnement d’un circuit peut provenir d’une erreur de conception, d’un prob-leme lors de la fabrication ou d’un probleme survenant pendant l’execution de l’application, soit a cause du vieillissement du circuit, soit a cause de son environnement (radiations, particules, etc.). Dans cette recherche, on s’interesse aux techniques de test qui ont pour objectif la detec-tion de problemes lies a la fabrication ou au vieillissement, mais pas a la conception. En n de fabrication le circuit est suppose exempt d’erreur de conception.
On peut distinguer deux types de test : test hors ligne et test en ligne. Un test dit hors ligne correspond au test de n de fabrication e ectu lorsque le circuit n’est pas encore place dans son environnement operationnel. Par opposition, un test en ligne est un test execut par le circuit, alors qu’il est connect dans son environnement operationnel et que l’application est en cours d’execution. Le test peut ^etre e ectu en parallele de l’application (test en ligne continu) ou pendant certaines interruptions courtes (test en ligne periodique). Pour une radio logicielle qui est capable d’evoluer sur le terrain, le test en ligne est essentiel pour garantir le bon fonctionnement du systeme apres une mise a jour. Pendant notre recherche nous nous sommes interesses au test hors ligne ainsi que au test en ligne des ces plateformes.
Que le test de la fonction du circuit soit e ectu en ligne ou hors ligne, il peut utiliser soit une approche fonctionnelle, soit une approche structurelle.
L’approche fonctionnelle consiste a de nir des vecteurs de test permettant de parcourir tous les modes de fonctionnement possibles du circuit, tels qu’ils sont speci es dans la che technique (ou le cahier des charges). Un tel test est tres proche des simulations faites par un concepteur pour veri er l’absence d’erreur de conception. Dans le cas d’un circuit tres simple, purement combinatoire, cette approche revient a veri er la table de verit de la fonction globale realisee par le circuit. Une telle approche a deux inconvenients dans le cas d’un circuit complexe :
tout d’abord, l’exhaustivit du test n’est generalement pas envisageable et la tentative de detecter le plus grand nombre de problemes possibles conduit a des sequences de test excessivement longues ;
L’approche structurelle consiste a partir de la structure interne du circuit et a veri er le bon fonctionnement des elements de base. L’objectif d’une approche structurelle n’est pas de detecter des erreurs de conception, une telle veri cation se doit de permettre la validation de la fonctionnalite globale du circuit.
L’avantage de cette approche est de permettre l’obtention de sequences de test plus courtes et d’une quanti cation du niveau de qualite du test, pour des hypotheses de dysfonctionnement donnees. L’inconvenient est justement une e cacit limitee a ces hypotheses, c’est-a-dire au modele de fautes choisi. Aujourd’hui l’approche structurelle est utilisee plut^ot par les tests des circuits numeriques. Ceci est possible parce que pour les circuits numeriques il a et developp des modeles qui couvrent une bonne partie des defauts existants. Les circuits analogiques mixtes ne disposent pas de modeles su sement generalises et, pour l’instant, le test de ces circuits est base presque completement sur des approches fonctionnelles.
De s dans le test des systemes RF
La croissance rapide de la complexit des circuits et l’evolution vers la haute integration (VLSI { Very Large Scale Integration) rendent le test du circuit en production extr^emement di cile et couteux. En e et, il est estim que le test des circuits AMS/RF peut couter jusqu’a 50 % du cout total de production. A n de reduire ce co^ut il est donc indispensable de developper de nouvelles methodologies de test plus e caces. Dans cette section on analyse quels sont les de s rencontrees par le monde academique et industriel.
En parallele de l’accroissement de complexit des circuits AMS, on remarque aussi une evo-lution vers la haute densit des circuits imprimes et des technologies d’encapsulation. Ceci fait apparaitre un probleme de points d’acces et donc une accessibilit limite. Par contre, la capacite de contr^oler et observer les sorties de chaque bloc est necessaire pour la caracterisation com-plete d’un circuit. A n d’ameliorer l’observabilit et la contr^olabilite, une solution habituelle est d’ajouter circuits auxiliaires qui permettrons de generer de stimuli et de mesurer les perfor-mances du circuit a tester. Cependant, dans ce cas il faut faire attention de ne pas deteriorer les performances du circuit a tester. Surtout la chaine RF qui est particulierement sensible.
Malgre l’augmentation considerable de la complexit des circuits, la pression ne cesse de s’accro^tre pour diminuer les temps de conception et le co^ut de production. Comme le test est un facteur important dans le co^ut total de production, il est necessaire que la strategie de test soit a bas co^ut.
Table of contents :
1 Introduction
1.1 Background
1.2 Previous Work
1.3 Our Work
1.4 Research Contributions
1.5 Thesis Organisation
2 Resume (Francais)
2.1 Introduction
2.2 Radio logicielle
2.3 Test RF
2.3.1 Test et testabilite des systemes electroniques
2.3.2 Des dans le test des systemes RF
2.3.3 Etat de l’art du domaine de testabilite des systemes RF
2.3.4 Conclusions
2.4 Application de la technique de sous-echantillonnage non-uniforme au test integre des emetteurs RF exibles
2.4.1 Introduction
2.4.2 Outil theoriques
2.4.3 Description generale de l’architecture de test
2.4.4 Resultats en simulation
2.4.5 Conclusions et perspectives
3 Software Dened Radio
3.1 Introduction
3.2 Some History
3.3 What is an SDR
3.4 SDR Architectures
3.4.1 Receiver Architectures
3.4.2 Transmitter Architectures
3.4.3 State-of-Art SDR Transceiver Architectures
3.5 Transceiver Specications
3.5.1 Small-signal FoMs
3.5.2 Signal Power FoMs
3.5.3 Distortion FoMs
3.5.4 Noise Specications
3.5.5 Digital FoMs
3.5.6 Final Remarks on FoMs for RF Transceivers
3.6 Conclusions
4 RF Testing
4.1 Test & Testability of Electronic Systems
4.1.1 Test Classication
4.2 Challenges in AMS/RF Testing
4.3 Automated Test Equipments
4.4 Built-In Self-Test
4.4.1 Loopback BIST
4.4.2 Behavioral RF Modeling
4.4.3 Model-Based RF Test Strategies
4.4.4 Alternate Tests
4.5 Conclusions
5 Undersampling
5.1 Introduction
5.2 Nyquist Sampling
5.3 Bandpass Sampling Techniques
5.3.1 Classic Undersampling
5.3.2 Periodical Nonuniform Sampling of Second Order (PNS2)
5.3.3 Noise Degradation in Undersampling Techniques
5.4 Conclusions
6 SDR Test Strategy
6.1 Introduction
6.2 General Description of the Proposed Test Architecture
6.3 Digital PNS2 Reconstruction
6.3.1 FIR Implementation
6.3.2 Kaiser Window
6.3.3 Alternatives & Other Considerations
6.4 Delay Generation Block
6.4.1 Choice of D
6.4.2 Reconstruction Robustness w.r.t. Uncertainties in D
6.4.3 DCDE Practical Implementation
6.4.4 Delay Estimation
6.5 Sample and Hold Elements
6.5.1 Charge-domain sampling
6.5.2 Improved BIST Architecture Based on CBS
6.6 Simulation Results
6.6.1 General Simulation Parameters
6.6.2 Adjacent Channel Power Ratio estimation
6.6.3 Digital PNS2 Reconstruction
6.6.4 Analysis of Time-Skew Detection Techniques
6.6.5 ACPR Simulation
6.7 Conclusions
7 Conclusions and Future Work
7.1 Conclusions
7.2 Future Work
