如何表征數字寬帶收發(fā)信機

隨著各種應用開始采用相控陣天線，網絡體系結構已經走上了新臺階，從而滿足尺寸、重量、功率和成本（SWaP+C）要求。為了向更高階段演進，天線系統(tǒng)需要可擴展的數字波束賦形和更加豐富的功能來滿足應用需求。

新一代射頻前端體系結構需要盡量縮小每個功能模塊，并用軟件替代一部分硬件，通過集成數字基帶和數據處理要素來減少互連。得益于射頻元器件和數據轉換器技術的進步，數字集成射頻前端已成為一種實用的設計體系結構，可以在未來的許多射頻通信和傳感系統(tǒng)中實現。

數字射頻跨域測試解決方案具有以下優(yōu)勢：

? 支持新型數字射頻激勵響應測試

? 表征數字集成射頻前端的真實性能

? 展示寬帶收發(fā)信機的射頻性能

更高的集成度帶來重重挑戰(zhàn)

高度集成的射頻系統(tǒng)具有高速數據轉換器和大工作帶寬，它們擁有諸多優(yōu)勢（圖1）。但是，它們也在設計和性能驗證方面給工程師設置了障礙。工程師需要快速克服這些障礙才能設計和構建滿足應用需求和上市時間要求、降低成本且具有競爭優(yōu)勢的射頻系統(tǒng)。

圖1. 憑借新的數字基帶體系結構，集成射頻前端可以采用具有千兆赫采樣率、更高工作頻率和瞬時射頻帶寬的高速數據轉換器

挑戰(zhàn)一 更多數字數據有待分析

高速數據轉換器是發(fā)射機和接收機中的關鍵元器件，通常具有較大的信息帶寬。現代寬帶發(fā)射機和接收機將高速數據轉換器和射頻前端集成到一個模塊中，避免了對它們單獨進行性能表征。

測試數據轉換器需要用到射頻測試設備。射頻前端的測試則需要記錄并分析數字輸出數據比特。針對更大帶寬提高采樣率意味著您需要處理和分析更多數字數據。通過記錄數字數據來分析接收機的全部工作射頻帶寬需要花費大量時間。對于具有許多射頻路徑的系統(tǒng)（例如陣列天線中的大規(guī)模多路輸入多路輸出和發(fā)射/接收模塊）而言，這個過程需要重復成百上千次，因此很難進行完整的表征。

挑戰(zhàn)二 傳統(tǒng)射頻測試工具的局限

射頻信號發(fā)生器和分析儀仍然可用于測試現代發(fā)射機和接收機。矢量網絡分析儀可以精準地表征射頻前端和元器件的性能。然而，激勵響應測量和校準無法再用于測試直接轉換數字和射頻信號的器件。接收機表征通常有賴于信號發(fā)生器的線性度和信號保真度，以及用戶分析接收到的數字數據的能力。盡管發(fā)射機表征遇到的問題比較少，您仍然需要考慮測量和測試設置錯誤。

挑戰(zhàn)三 高頻率大帶寬下的性能

具有高速數據轉換器的射頻系統(tǒng)不斷提高工作頻率，在用于Ka、Q 和低 V 頻段衛(wèi)星鏈路時甚至會進入毫米波頻率范圍。這些頻率使用的是分配給最終應用的指定信道，但需要在整個工作帶寬上對設備進行測試。在高頻率大帶寬下，射頻前端的性能越發(fā)會受到頻率的影響。

舉個例子，在某個通道中的某個點上表征的發(fā)射機性能可能會與同一通道的其他點不同。隨著工作頻率提高，其中的差異變得更加顯著。工程師必須以更高的頻率分辨率進行測試，才能準確了解在更高、更寬頻率下運行的器件受到頻率的影響。這種對射頻器件的簡單測試在用于數字到射頻混合器件時需要更多操作。

連接數字域和射頻域的解決方案

是德科技數字寬帶收發(fā)信機測試解決方案能準確表征直接支持數字到射頻的混合器件。這樣能夠揭示現代發(fā)射機和接收機射頻前端的真實性能。

該解決方案由高性能矢量網絡分析儀、矢量信號發(fā)生器以及測量和分析軟件（圖2）組成。整個系統(tǒng)包括用于被測發(fā)射機和接收機的可定制數字數據和控制接口。測試設置界面和分析采用新寬帶收發(fā)信機器件類別和 Device Measurement eXpert（DMX）軟件上的 IQ Waveform Creator，從而將數字域和射頻域銜接了起來。

圖2. 借助寬帶收發(fā)信機器件類別，DMX 可以使用 IQ Waveform Creator 上定義的測試信號測試混合數字到射頻器件。

跨域激勵與響應系統(tǒng)

頻率響應是高頻寬帶射頻系統(tǒng)的一個重要性能特征。這樣一個系統(tǒng)務必要保持系統(tǒng)線性度并實現所需的信號接收和傳輸性能。然而，測量數字到射頻混合器件的頻率響應頗有挑戰(zhàn)。舉個例子，在接收機測量中，射頻信號發(fā)生器輸出所需信號，被測接收機則會接收信號并進行數字化處理。這些任務由兩個獨立的系統(tǒng)完成。

是德科技數字寬帶收發(fā)信機測試解決方案將信號生成與射頻儀器有效集成，還將信號接收與被測接收機有效集成，從而獲得頻譜相關性。

信號生成和接收過程中的數據轉換具有與采樣周期相同或為其整數倍的采樣率，這就形成一個數字射頻跨域激勵響應測量系統(tǒng)。該解決方案包括對射頻儀器的線性S參數進行誤差校正和失真誤差校正，從而揭示被測發(fā)射機和接收機的真實性能特征。

快速頻率和響應測量

使用頻譜相關技術進行跨域激勵響應測量主要有以下兩點優(yōu)勢：

? 快速頻率和功率響應測量

? 線性和失真表征

多個頻率分量有助于創(chuàng)建激勵信號（在發(fā)射機測試中為數字信號，在接收機測試中為射頻信號），從而覆蓋所需的頻率帶寬。這些信號會重復播放。工程師在同一周期或整數倍周期內不斷獲取響應信號，以獲得更好的精確度以及更高的靈敏度和穩(wěn)定性。激勵信號與響應信號之間的關系支撐了線性相關的頻率響應測量，例如增益平坦度（圖3）和時延偏差（圖4）。它也支持誤差矢量幅度（EVM）之類的不相關失真測量。

性能表征與功率的關系也遵循同樣的原則。在這個示例中，激勵信號是一個頻率分量，其幅度由范圍和步長界定。該解決方案可得出壓縮和飽和性能特征。

圖3. 增益平坦度(幅度偏差)

圖4. 與平均時延的偏差

數字寬帶接收機表征

要想全面了解數字寬帶接收機的特性，您需要掌握兩個領域的知識：模擬信號調理和具有數據轉換的數字信號調理。然而，這兩個領域的知識和專業(yè)經驗通常掌握在不同的團隊手中：高頻射頻設計團隊和數字信號處理團隊。

在新的體系結構下，數字寬帶接收機融合了這兩方面的功能，您需要掌握這兩個領域的知識才能進行全面的性能表征。是德科技的跨域測試解決方案無需用戶去學習復雜的知識，而且簡化了測量過程。