CN105450244A

CN105450244A - 具有测试能力的rf接收器

Info

Publication number: CN105450244A
Application number: CN201510610791.4A
Authority: CN
Inventors: K.科迪克; R.斯图尔伯格
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: US9485036B2; CN105450244B; US9331797B2; DE102015115017B4; US20160087734A1; DE102015115017A1; US20160233969A1

Abstract

本发明涉及具有测试能力的RF接收器。一种RF接收器器件，包括：芯片封装中的半导体芯片以及集成在芯片中的测试信号发生器。测试信号发生器生成包括第一信息的RF测试信号。集成在芯片中的RF接收器电路接收RF输入信号，将RF输入信号下变频到中频（IF）或基带，并且对经过下变频的信号进行数字化以获得数字信号。RF接收通道包括耦合器，该耦合器具有第一和第二输入端口以及输出端口。输出端口耦合到RF接收器电路的输入，第一输入端口接收天线信号，并且第二输入端口接收来自测试信号发生器的测试信号。信号处理器被集成在芯片中，并且在测试循环期间确定所述数字信号中的第一信息是否匹配预定标准。

Description

具有测试能力的RF接收器

技术领域

本公开内容涉及射频（RF）传送器或收发器电路的领域，特别涉及包括测试能力的RF接收器芯片。

背景技术

射频（RF）接收器和收发器可以在许多应用中找到，特别可以在雷达传感器和无线通信的领域中找到。在汽车领域内，针对被使用在所谓的“自适应巡航控制”（ACC）或“雷达巡航控制”系统中的雷达传感器的需求越来越多。这样的系统可以被用来自动调节汽车的速度，以便于与前方的其他汽车保持安全距离。

现今的雷达系统利用了高度集成的RF电路，其可以把雷达收发器的RF前端的所有核心功能合并到一个单一封装中（单芯片收发器）。这样的RF前端通常尤其包括压控振荡器（VCO）、功率放大器（PA）、混频器以及模拟到数字转换器（ADC）。

在汽车中所使用的雷达应用遵循许多涉及道路交通安全的标准，例如标题为“Roadvehicles–Functionalsafety（道路车辆-功能安全）”的功能安全标准ISO26262。为了确保雷达传感器的功能安全，很重要的是知道雷达传感器的当前状态是否允许可靠的距离和速度测量。然而，而且在不同于雷达的应用中，可靠性可能是个问题。

因此，存在对具有改进的自测试能力以提高总体系统的可靠性的RF收发器的需要。

发明内容

这里公开了一种RF接收器器件。根据本公开内容的一个实例，所述接收器器件包括芯片封装、包括在芯片封装中的半导体芯片以及也集成在半导体芯片中的测试信号发生器。测试信号发生器被配置成生成包括第一信息的RF测试信号。此外，RF接收通道包括被集成在半导体芯片中的RF接收器电路。RF接收器电路具有用于接收RF输入信号的输入，并且被配置成将RF输入信号下变频到中频（IF）或基带，并且对经过下变频的信号进行数字化以获得数字信号。此外，耦合器被集成在芯片封装中。RF接收通道还包括耦合器，其具有第一和第二输入端口以及输出端口，其中输出端口耦合到RF接收器电路的输入，第一输入端口被配置成接收天线信号，并且第二输入端口耦合到测试信号发生器以接收测试信号。信号处理器被集成在半导体芯片中，并且被配置成在测试循环期间确定存在于所述数字信号中的第一信息是否匹配预定标准。

根据本公开内容的另一个实例，所述接收器器件包括芯片封装、包括在芯片封装中的半导体芯片以及集成在半导体芯片中的测试信号发生器。所述信号发生器被配置成生成包括第一信息的RF测试信号。所述接收器器件还包括至少两个RF接收通道。每一个RF接收通道包括RF接收器电路，所述RF接收器电路集成在半导体芯片中并且具有用于接收对应的RF输入信号的输入。每一个通道的RF接收器电路被配置成将对应的RF输入信号下变频到中频（IF）或基带，并且对经过下变频的信号进行数字化，因而提供数字信号。每一个RF接收通道还包括耦合器，其被集成在芯片封装中并且具有第一和第二输入端口以及输出端口，其中输出端口耦合到对应的RF接收通道的RF接收器电路的输入。第一输入端口被配置成接收对应的天线信号，并且第二输入端口耦合到测试信号发生器以接收RF测试信号。RF接收器器件还包括集成在半导体芯片中的信号处理器，其中所述信号处理器被配置成在测试循环期间确定存在于获得自RF接收通道的数字信号中的第一信息是否匹配对应的标准。

附图说明

参照下面的附图和描述可以更好地理解本公开内容。附图中的组件不一定是成比例的；而是重点放在说明本公开内容的原理。此外，在附图中，相同的附图标记指定相应的部分。在附图中：

图1是图示了RF收发器芯片的接收路径的基本结构的方框图；

图2是图示了单基地雷达（monostaticradar）收发器芯片中的接收/传送路径的方框图；

图3是图示了包括用于提供自测试功能的附加电路的图1的RF收发器的方框图；

图4图示了在图3的RF收发器的自测试期间在数字信号处理器中执行的信号分析的一个实例；

图5是图示了包括用于提供针对多个接收通道的自测试功能的附加电路的图1的RF收发器的方框图；

图6图示了在图5的RF收发器的多通道自测试期间在数字信号处理器中执行的信号分析的一个实例。

具体实施方式

下面将在雷达收发器的情境中讨论本公开内容的实施例。然而，应当指出的是，本公开内容还可以被应用在不同于雷达的应用诸如例如RF通信器件的RF收发器中。

所谓的“单芯片雷达”可以将提供对于距离和/或速度测量所需的核心功能的电路包括在一个芯片中。因此，所述芯片可以尤其包括RF振荡器、放大器、混频器、滤波器、模拟到数字转换器以及数字信号处理器。图1图示了例如在雷达距离测量器件中使用的RF收发器1（或RF接收器）的接收路径。相应地，RF收发器/接收器1包括混频器10，该混频器10被提供有RF输入信号S_RX和RF振荡器信号S_LO，并且被用来把RF输入信号S_RX下变频到基带或中频（IF）带。RF输入信号S_RX可以由天线（图1中未示出）提供，并且可以在被提供到混频器10之前被预先放大（参见RF放大器12）。在本例中，RF振荡器信号S_LO由本地振荡器（LO）11生成，该本地振荡器（LO）11可以包括耦合在锁相环路（PLL）中的压控振荡器（VCO）。然而，取决于实际应用，RF振荡器信号S_LO可以由其他电路提供。当被使用在雷达距离测量器件中时，RF振荡器信号S_LO可以处在近似24GHz与77GHz之间的范围内（在本例中为77GHz）。然而，更高的或更低的频率也可以是适用的。

正如提到的那样，混频器10把RF输入信号S_RX’（经过放大的天线信号）下变频到基带（或IF带）。对应的基带信号（混频器输出信号）由S_BB标示。基带信号S_BB随后经受模拟滤波（滤波器13），以抑制不合期望的边带或镜像频率。滤波器13可以是低通滤波器或带通滤波器。经过滤波的基带信号（滤波器输出信号）由S_BB’标示。利用混频器将RF输入信号下变频到基带或IF带的接收器同样地被称为外差（heterodyne）接收器，并且因此不作进一步更详细讨论。经过滤波的基带信号S_BB’随后被采样并且转换成数字信号S_RXDIG（模拟到数字转换器14），其随后在数字域使用中被进一步处理。在下变频到IF带的情况下，IF信号也可以被数字化以用于对IF信号进行数字解调。所述数字信号处理可以使用例如执行适当的软件指令的数字信号处理器来执行。

图1图示了RF接收器或收发器的接收路径。在所谓的双基地或伪单基地雷达系统中，接收器可以与传送器分离，这是在于接收器和传送器使用分离的天线。图2图示了RF收发器（组合的接收器和传送器），其可以被使用在单基地雷达系统中，其中相同的天线被用来传送和接收RF信号。图2的收发器包括定向耦合器22，其被耦合在混频器10与天线20之间，并且被配置成把由天线20接收到的RF信号S_RX导向混频器10（接收路径）。此外，定向耦合器22被配置成把RF振荡器信号S_LO导向天线20，所述天线20传送对应的电磁雷达信号。除了定向耦合器22之外，接收路径（放大器12、混频器10、滤波器13、模拟到数字转换器14、信号处理器15）与图1中相同，并且因此这里不作重复。

定向耦合器22可以被实施为通过带状线（stripline）形成的环形耦合器。然而，可以使用其他类型的定向耦合器。特别在使用环形耦合器时，耦合器的一个端口由端接阻抗21端接。定向耦合器22可以被实施在与收发器的其他电路组件相同的芯片封装中，以提供单芯片解决方案。

图3是图示了RF收发器3的方框图，该RF收发器3与图1的实例类似、具有用于提供自测试功能的附加电路。RF收发器3如图2中所示的那样经由定向耦合器或者如图1中所示的那样直接从天线（未示出）接收RF输入信号S_RX。RF输入信号S_RX通过定向耦合器15被导向混频器10。与图1的实例中一样，RF输入信号S_RX可以被预先放大，其中放大器12可以被耦合在定向耦合器15的上游或下游。在本例中，放大器12被连接在定向耦合器15与混频器10之间。混频器10下游的信号处理链与图1的实例中所图示的相同。相应地，混频器10的输出耦合到滤波器13的输入，以便抑制由混频器10提供的基带（或IF带）信号S_BB中的不合期望的边带或镜像频率。滤波器13的输出耦合到模拟到数字转换器14的模拟输入，所述模拟到数字转换器14被配置成对经过滤波的基带信号S_BB’进行数字化。经过滤波的信号S_BB’的数字表示被标示为S_RXDIG，并且可以由数字信号处理器15进一步处理。从定向耦合器15到模拟到数字转换器14的信号处理链被称为接收通道CH。后面将关于图5和6描述具有多个接收通道的类似系统。

定向耦合器15允许将RF测试信号S_TESTRF施加到混频器10的输入。与RF输入信号S_RX一样，RF测试信号S_TESTRF可以由放大器12预先放大。所述定向耦合器例如可以是使用带状线实施的环形耦合器。正如针对此类耦合器的通常情况那样，一个端口利用端接阻抗16被端接。实质上，RF测试信号S_TESTRF被“注入”到收发器/接收器的接收路径中，因此收发器/接收器的接收路径“看”RF测试信号S_TESTRF像规则的RF输入信号。RF测试信号S_TESTRF可以使用调制器17生成，该调制器17利用测试信号S_TEST（调制信号）来调制具有载频f_LO（例如f_LO=77GHz）的RF振荡器信号S_LO（例如由本地振荡器提供）。测试信号S_TEST可以具有单一频率f_TEST或具有中心频率f_TEST的带限信号。测试信号S_TEST可以以这样的方式被合成，使得它表示仿真的雷达回波。

测试信号S_TEST（调制信号）可以利用直接数字合成（DDS）来生成，所述直接数字合成是被用于创建任意波形的一种类型的频率合成器。图4通过方框图图示了（使用DSP15）对经过下变频、滤波和数字化的信号S_RXDIG进行评估以便评定在数字信号S_RXDIG中是否存在测试信号S_TEST的一个实例。相应地，执行数字信号S_RXDIG的频谱分析。这可以利用快速傅立叶变换（FFT）算法（在图4中被标记为“频谱分析41”）来进行，以便获得针对不同频率范围（常常被称作“频率窗口（bin）”）的信号S_RXDIG的量值。可替代地，可以使用其他算法（例如Goertzel算法）用于确定信号S_RXDIG的一个或多个特定频谱分量的量值A(f)。在本例中，在后续的信号处理中考虑包括测试信号S_TEST的测试频率f_TEST的频率窗口。为了获得表示信号功率的数值，对量值A(f_TEST)进行平方（在图4中被称为“功率估计42”）。实质上，对于测试频率f_TEST评估功率谱密度（PSD）。最后，将测试频率处的信号功率A²(f_TEST)与阈值P_TH进行比较，所述阈值P_TH表示在RF收发器3的接收路径中的总体信号处理链（特别是放大器12、混频器10、滤波器13、ADC14以及其他中间组件）根据所期望的规范操作的情况下的测试信号S_TEST的预期信号功率。

根据本文中所描述的实施例，形成RF接收器/收发器的电路组件以及对于前面所讨论的自测试所需的电路组件（特别是调制器17、DDS18、定向耦合器15）被集成在相同的半导体芯片中或者至少被集成在相同的芯片封装中。这允许常规地并且高效地测试RF收发器（或RF接收器）的接收路径的信号处理链的功能，并且快速地检测可能例如导致不可靠的或错误的测量的接收路径中的组件的故障。此外，所述单芯片解决方案允许使用相同的信号处理器来进行规则测量和自测试两者。特别在雷达距离和速度传感器（也被称为雷达范围传感器）中，在后续的测量循环期间重复确定所测量的距离或速度数值。在两个后续测量循环之间可以插入空闲循环，在空闲循环期间可以实施自测试。产生否定结果的自测试可以被传达到控制单元，所述控制单元控制总体系统的操作并且用信号通知用户。

在以上描述的实例中，对数字信号S_RXDIG的（在特定频谱范围内或者是谱线的）功率进行评估，以便确定该功率是否与测试信号的功率相匹配。该概念可以被推广。相应地，测试信号通常包括第一信息（例如特定频谱范围内的特定功率），其经由调制器17、耦合器15、混频器10、和ADC14被传送到信号处理器。因此，所述第一信息也被包括在RF测试信号S_TESTRF以及混频器输出信号S_BB和数字信号S_RXDIG中。信号处理器15通常被配置成检测第一信息是否存在于数字信号S_RXDIG中。在肯定检测的情况下，接收路径根据所期望的规范操作。在检测失败的情况下，可以如前面所提到的那样用信号通知错误。

图5是图示了与图1的实例类似的RF收发器3的方框图，其具有用于提供两个或更多个RF接收通道CH1、CH2等等的自测试功能的附加电路。图5的电路实质上与图3的先前实例相同，其中对于每一个单独的接收通道CH1、CH2等等提供定向耦合器15（如果必要的话包括端接16）、放大器12、混频器10、滤波器13和模拟到数字转换器14。一个单独的天线（参见图2，天线20）可以与每一个通道CH1、CH2等等相关联，并且天线信号S_RX,1、S_RX,2等等被提供到对应的定向耦合器15。类似地，RF测试信号S_TESTRF也被提供到定向耦合器15。与图3的先前实例相同，每一个通道CH1、CH2的模拟到数字转换器14提供对应的数字基带信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2。在每一个通道CH1、CH2中，混频器10接收经过放大的天线信号S_RX,1’、S_RX,2’以及本地振荡器信号S_LO。

如图5中所示的那样，单一本地振荡器信号S_LO（来自单一振荡器）被用来对每一个通道中的天线信号进行下变频，以便保持经过下变频的信号S_BB,1、S_BB,2等等之间的相位关系。出于相同的原因，相同的RF测试信号S_TESTRF被用于每一个通道CH1、CH2等等。这允许使用信号处理单元15来评估数字基带信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2的相位，该信号处理单元15被配置成处理由所有通道提供的数字信号。在图6中将一个信号处理实例描绘为方框图，根据该例，计算数字信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2等等的相位差。

图6通过方框图图示了（使用DSP15）对经过下变频、滤波和数字化的信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2等等进行评估的一个实例，该信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2等等可以被视为接收通道CH1、CH2等等的数字输出信号。对信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2等等进行评估，以便评定存在于所述信号中的并且与测试信号S_TEST有关的信息是否匹配特定标准。在图3的先前实例中，所提到的信息是信号功率，而在自测试中使用的对应标准则是信号功率必须超出定义的阈值水平。

在本例中，执行数字信号S_RXDIG的频谱分析以便评估信号S_RXDIG,1、S_RXDIG,2等等的相位。这可以使用快速傅立叶变换（FFT）算法（在图6中被标记为“频谱分析41”）来进行，以便获得针对不同频率范围（常常被称作“频率窗口”）的信号S_RXDIG1、S_RXDIG2的相位、并且（可选地为）量值A₁(f)、A₂(f)。可替代地，可以使用其他算法（例如Goertzel算法）用于确定信号S_RXDIG1、S_RXDIG2的一个或更多特定频谱分量的相位、。在本例中，在后续的信号处理中考虑包括测试信号S_TEST的测试频率f_TEST的频率窗口。在本例中，所述数字信号处理器被配置成（即利用适当的软件编程）计算每一个通道CH1、CH2的数字输出信号S_RXDIG,1和S_RXDIG,2的相位、，并且计算相位差。对于测试信号S_TEST的频率f_TEST评估相位（还参见图3和4以及有关的描述）。在相位差大于预定义的阈值的情况下，自测试将以否定结果结束，并且可以用信号通知错误。举例来说，否定结果可以被传达到控制总体系统的操作的控制单元并且用信号通知用户（例如在使用在自适应巡航控制系统中的汽车雷达的情况下为车辆的驾驶员）。

在具有多于两个通道CHi（i=1,2,3,...）的系统的情况下，可以对于每一个数字输出信号S_RXDIG,i确定对应的相位数值，并且可以计算对应的相位差并且与对应的阈值数值进行比较。参考相位例如可以是第一通道CH1的相位，或者是相邻通道的相位。除了相位的评估之外，可以对于每一个通道CHi评估量值A_i(f_TEST)，正如对于图3和4的先前实例所解释的那样。

虽然关于一种或多种实施方式说明并且描述了本公开内容，但是在不背离所附权利要求书的精神和范围的情况下可以对所说明的实例做出改动和/或修改。特别是关于由以上描述的组件或结构（单元、套件、器件、电路、系统等等）所执行的各种功能，除非另外表示，否则被用来描述此类组件的术语（包括所提到的“装置”）意图对应于执行所描述的组件的指定功能的任何组件或结构（例如，也就是说在功能上是等效的），即使其在结构上并不等效于在本公开内容的本文中所说明的示例性实施方式中执行所述功能的所公开的结构。此外，虽然可能仅仅关于几种实施方式当中的一种公开了本公开内容的特定特征，但是可以按照对于任何给定的或特定的应用所期望或有利的那样将这样的特征与其他实现方式的一项或多项其他特征相组合。此外，就在任一具体实施方式和权利要求书中所使用的术语“包括（including）”、“包含（includes）”、“具有（having）”、“含有（has）”、“带有（with）”及其变体而言，这样的术语意图以类似于术语“包括（comprising）”的方式是包含性的。

Claims

1.一种RF接收器器件，包括：

芯片封装；

包括在所述芯片封装内的半导体芯片；

集成在所述半导体芯片中的测试信号发生器，所述信号发生器被配置成生成包括第一信息的RF测试信号；

RF接收通道，包括RF接收器电路，所述RF接收器电路集成在所述半导体芯片中并且具有被配置成接收RF输入信号的输入，并且还被配置成将RF输入信号下变频到中频（IF）或基带且对经过下变频的信号进行数字化，因而提供数字信号；

其中，RF接收通道还包括耦合器，所述耦合器集成在芯片封装中并且具有第一输入端口和第二输入端口以及输出端口，其中输出端口耦合到RF接收器电路的输入，第一输入端口被配置成接收天线信号，并且第二输入端口耦合到测试信号发生器且被配置成接收测试信号；以及

集成在半导体芯片中的信号处理器，其中所述信号处理器被配置成在测试循环期间确定存在于所述数字信号中的第一信息是否匹配预定标准。

2.权利要求1所述的RF接收器器件，

其中，所述耦合器被配置成将RF测试信号和天线信号作为RF输入信号引导到RF接收器电路。

3.权利要求1所述的RF接收器器件，其中，所述RF接收器电路还包括：

混频器，被配置成接收来自耦合器的RF输入信号并且将所述输入信号从RF带下变频到IF带或基带。

4.权利要求3所述的RF接收器器件，其中，所述RF接收器电路还包括：

耦合在混频器下游的滤波器。

5.权利要求3所述的RF接收器器件，其中，所述RF接收器电路还包括：

模拟到数字转换器，耦合在混频器下游并且提供数字信号。

6.权利要求1所述的RF接收器器件，其中，所述测试信号发生器包括被配置成利用测试信号调制RF振荡器信号以生成RF测试信号的调制器，所述测试信号包括第一信息。

7.权利要求6所述的RF接收器器件，其中，所述RF振荡器信号被RF接收器电路使用来将RF输入信号下变频到基带。

8.权利要求6所述的RF接收器器件，其中，第一信息至少包括预定频谱范围内的测试信号的功率，并且其中所述信号处理器被配置成计算所述预定频谱范围中的数字信号的功率。

9.权利要求1所述的RF接收器器件，其中，第一信息至少包括针对预定频率范围的测试信号的相位。

10.权利要求1所述的RF接收器器件，还包括：

至少一个另外的接收通道，每一个另外的接收通道被配置成接收另外的天线信号，并且提供相应的经过下变频和数字化的信号作为另外的数字信号。

11.权利要求10所述的RF接收器器件，

其中，第一信息至少包括针对预定频率范围的测试信号的相位，并且

其中，所述信号处理器被配置成计算从接收通道获得的每一个数字信号的相位数值。

12.权利要求11所述的RF接收器器件，

其中，所述信号处理器被配置成从所述相位数值计算相位差，并且将相位差与对应的阈值数值进行比较。

13.权利要求1所述的RF接收器器件，其中，在RF接收器电路的空闲循环期间调度所述测试循环。

14.权利要求8所述的RF接收器器件，其中，当所计算的功率没有达到预定阈值时，用信号通知错误。

15.权利要求12所述的RF接收器器件，其中，当所计算的相位差超出对应的阈值数值时，用信号通知错误。

16.一种RF接收器器件，其包括：

芯片封装；

包括在芯片封装中的半导体芯片；

集成在半导体芯片中的测试信号发生器；所述信号发生器被配置成生成包括第一信息的RF测试信号；以及

至少两个RF接收通道，每一个RF接收通道包括：

　RF接收器电路，集成在半导体芯片中并且具有被配置成接收对应的RF输入信号的输入，并且还被配置成将RF输入信号下变频到中频（IF）或基带且对经过下变频的信号进行数字化，因而提供数字信号；以及

耦合器，集成在芯片封装中并且具有第一输入端口、第二输入端口以及输出端口，其中输出端口耦合到对应的RF接收通道的RF接收器电路的输入，第一输入端口被配置成接收对应的天线信号，并且第二输入端口耦合到测试信号发生器以接收RF测试信号；

其中，RF接收器器件还包括集成在半导体芯片中的信号处理器，其中所述信号处理器被配置成在测试循环期间确定存在于从RF接收通道获得的数字信号中的第一信息是否匹配对应的标准。