基于片外信号源的SoC低成本测试解决方案*

钟伟宏，刘炎华，孙 玲,3

（1.南通富士通微电子股份有限公司，江苏 南通 226019；2.南通大学，江苏省专用集成电路设计重点实验室，江苏 南通 226019；3.计算机体系结构国家重点实验室，中国科学院计算技术研究所，北京 100190）

1 引 言

随着国内集成电路设计水平和半导体制造技术的不断提高，片上系统（System on Chip，SoC）已经成为国内集成电路设计公司的主流产品和重点研发方向[1～3]。一个典型的SoC系统通常集成了微处理器、嵌入式存储器、模拟IP核和数字IP核等多个功能模块。由于SoC本身功能的复杂性，使得SoC芯片功能的验证变得非常困难。更快的处理速度以及更低的工作能耗也对SoC芯片测试提出了更为严格的要求。SoC测试技术作为SoC设计的关键技术之一，一直是人们关心和研究的热点[4～5]。

目前，半导体行业中常见的解决方法是采用造价昂贵的高端测试平台来进行SoC量产测试。由于测试开发是滞后于芯片开发的，因此，测试也是一个比较费时间的过程，而量产测试所耗费的自动测试设备（Automatic Test Equipment，ATE）时间直接决定芯片的测试成本。完全依赖ATE来测试SoC会在无形之中增加芯片的测试成本。据报道，复杂的SoC芯片测试成本可能将占到芯片总成本的30%～50%[6]，测试成本已是SoC产品设计过程中一个不可忽略的因素，如何降低测试成本越来越成为集成电路设计公司关注的焦点之一。本文针对一款应用于数字卫星广播系统中的SoC芯片，采用片外信号源方法提出了一种低成本SoC测试方案。

2 待测SoC系统芯片简介

数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）系统[7～9]被公认为目前全球推广最成功的两大民用系统之一，而DVB-S卫星数字电视是技术发展得最完善的系统。相对于有线、地面和其他数字电视系统，卫星数字电视有着其得天独厚的技术优势，仅仅一颗卫星就能覆盖数千万乃至上亿的用户。数字卫星广播物理层接收系统中，正交相移键控（QPSK）基带芯片BB001是一款典型的SoC芯片，该芯片支持DVB-S标准的QPSK解调及前向纠错，片上集成有6bit高速ADC。

2.1 基本工作原理

数字卫星广播系统工作流程如图1所示。

图1 基带解调芯片应用框图

国标地面信号DVB-S通过U波段向空间传播，由天线接收后，经过调谐器（Tuner）放大、下变频及滤波等一系列信号处理，输出IQ基带信号；基带芯片BB001进行信道部分的解调和解码，IQ基带信号经过ADC模块采样，采样后信号在AGC模块控制下，调节采样后信号强度，然后再将增强后的信号进行载波恢复和定时恢复，完成QPSK解调。解调后的信号经过前端矫正器，进入格式转换单元进行Viterbi译码、解卷积交织、Reed-Solomon译码、解扰，最终输出TS码流；TS流码经过信源解码电路实现解扰、解复用、信源解码功能，配合Flash、SDRAM、遥控按键等外围电路工作，输出音视频信号，最后将相应的视音频数据送到显示终端显示。

基带芯片BB001正常工作时的流程如图2所示。图中，经降频转换器后的中频信号（Medium Frequency signal，MF）输入到BB001的ADC差分模数转换器输入端，通过QPSK正交相移键控解调器的解调，输出到前端矫正器，最后通过格式转换单元转换成MPEG2 TS码流输出。

图2 基带解调芯片的典型功能框图

2.2 基本测试项分析

从测试角度看，整个芯片测试可分为两部分：SoC常规模块与中频信号模块。在本芯片测试项目中，SoC常规模块部分测试与一般SoC芯片的测试项目类似，只要将对应的管脚引出，使用一般SoC的ATE就可以测试。主要包括扫描链测试、内部存储器自测试、锁相环频率测试以及ADC测试等。对于中频信号模块而言，测试中必须施加中频激励信号才能进行电路的功能测试，因此，需要使用到测试系统的射频（Radio Frequency，RF）测试模块。而射频测试模块一般只配备在一些高端机台上，如Advantest T2000以及Verigy V93000等。考虑到这些高端机台售价昂贵，机时紧张，不利于大规模量产测试。

因此，本文基于一款低端测试机台T6575[10]，采用外部信号源的方法设计了基带解调芯片BB001的中频模块功能测试方案，实现了芯片的低成本测试。表1给出了本芯片在上述各机台的测试成本。

表1 单只芯片测试成本分析表

3 中频模块功能测试方案设计

3.1 基于专用信号源的功能测试方案

基于专用信号源（中频信号发生器）的功能测试方案如图3所示。图中使用一个信号发生器通过分流器分成5路信号，其中4路信号分别施加到4个调谐器中去产生中频测试信号给4个DUT，输出结果以向量文件的形式传送给ATE，ATE同时发送DUT的时钟和控制信号来读取TS码流作最终判断。另外，第5路信号施加在额外一个调谐器上来实施监视中频信号的质量（尤其是幅度），以控制测试过程中的良品率。

图3 一个信号发生源通过分流器分成4路信号示意图

这种方案的优点是测试结果显而易见，实时而且十分直观；缺点也很明显：（1）专用信号源十分昂贵（一般需要10万美元左右），一般支持有限种类的射频信号类型，而且信号一旦受到干扰，4个并测芯片同时报错；（2）多个DUT的同步测试问题，芯片实际的输出在一些部分不是固定的，而且在绝对时间点上不同的芯片也不完全同步。

3.2 改进的测试方案

通过上述测试方案在量产过程中的表现，还发现了一些其他问题：（1）信号源长时间工作过热；因此，经常需要操作人员根据PC监视器对信号一些参数的波动进行输入参数的修正，大大影响了生产的稳定性和效率；（2）测试板上的线路很复杂，发生错误时几乎无法定位和调试。

由此可见，采用专用信号发生器作为片外信号源并不适合芯片大规模测试生产。针对以上问题，我们改进了量产测试方案，原理如图4所示。

图4 测试波形图

改进的测试方案是使用ATE上的扫描图形发生器（Scan Pattern Generator，SCPG）加上高速DAC IC来实现中频信号的发生，作为片外信号发生源（Signal Generator，SG），取代初步方案中所采用的专用信号发生器，解决RF测试项目，即降低了测试成本，又提高了测试过程的可靠性和可控性。该技术的核心是利用ATE的SCPG存储空间比较大的优势来发生未经过滤波的“数字中频”信号，然后通过高速DAC的D-A实时转换实现对类似数字电视芯片的信号输入。技术关键是DAC的选择和输入电路的抗噪设计，以保证信号的纯度，解决了测试数字电视芯片（尤其是信道部分）中功能测试的信号源问题。

由于信号源和最终TS码流的接收都是由ATE来控制，所以同步问题和测试的重复性、稳定性可以得到很好的保证，最终采用此方案作为大规模量产的最终方案。与采用昂贵的测试系统相比，此方案减低了芯片的单位测试成本。

3.3 测试方案有效性验证

为验证本测试方案的有效性，我们采用Tek的TDS72系列500MHz的数字示波器对经过DAC转换后的中频信号进行采样分析。图5是使用该仪器采样DAC发出的中频信号波形图。该测试方案通过ATE的数字采集模块来完成对TS/Sync信号的捕获。对多颗取样芯片进行了TS完整性、误码率的测试调试，测试结果表明：TS完整性以及误码率符合芯片设计要求。

图5 中频信号的波形图

4 小结

本文改进了传统外挂仪表进行测试的方法，通过使用低端ATE加自行设计的外部信号源来代替昂贵的专用信号源，实现了SoC芯片RF模块低成本测试。量产测试结果表明，采用基于T6575机台的测试方案进行BB001芯片测试，其测试成本是采用Advantest T2000机台的69%、V93000机台的30%。本文设计的方案取得了明显的降本效果，同时也为其他SoC芯片的低成本测试提供了参考。

[1]邱善勤.中国IP/SoC产业发展策略研究[J].中国集成电路,2005,9：35-40.

[2]刘劲松, 林涛.整合多IP的SOC芯片验证的挑战和思路[J].中国集成电路, 2005,12：32-37.

[3]张艳,胡桂. SoC技术在电子设计中的发展[J].安阳工学院学报,2007, 1（25）：21-23.

[4]时万春.系统芯片（SoC）测试[J].电子测量与仪器学报,2004,10-15.

[5]赵建武, 帅奕兵, 王志刚.复用NoC测试SoC内嵌IP芯核的测试规划研究[J].计算机工程与应用, 2010, 46（15）：60-63.

[6]孙亚春.最新SOC测试的发展趋势[J].中国集成电路2009.6：62-64.

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[8]Digital broadcasting systems for television, sound and data services[M]. Allocation of Service Informatio（SI）codes for Digital Video Broadcasting（DVB）systems ETR 162.

[9]J sesena, H prieto. Digital Multiprogramme by Satellite[C].A world standard ‘97 IEE.

[10]Advantest, Inc. Advantest T6575 Programming Basic Training Materials[M].