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利用数字射频跨域激励响应表征直接数字宽带收发器的射频性能

Hiroyuki Maehara、Mark E. Hanni、Nader Srouji和Dara Sariaslani，Keysight Technologies Inc.

随着系统集成和高速数据转换器的进步，高性能相控阵天线（PAA）可在非常小的外形下使用。这扩大了它们在各种通信和射频传感应用中的应用范围。^1,2本文讨论了与高度集成的射频前端和数字基带设备相关的性能表征挑战，包括数字波束赋形或软件定义的无线电设备中的射频路径、射频收发器IC和高速数据转换器。使用矢量网络分析仪（VNA）开发了一种新的数字和射频跨域激励响应方法，并提供了数字和射频混合信号器件的测量实例。

典型的通信和射频传感系统配有射频前端、升频器和降频器以及数字基带子模块，并根据需要在每个部分进行信号调节。当射频系统用于各种平台时，如无人机、飞机（共形安装在表面）或移动设备，尺寸、重量和功耗必须考虑平台兼容性。随着更多功能的射频系统被开发用于小型平台，集成水平继续加快提高。

高度集成的射频系统通常包括多个射频通道，功能块之间的互连最小化，可能引入射频到数字直接转换，以及将硬件功能迁移到信号调节和分析软件（图1）。随着更高频率的封装和高速数据转换器，即模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的进步，这种新的射频前端架构变得实用。这种集成的射频前端架构带来了许多好处，如改进的性能、更宽的工作频率和更大的灵活性。然而，它们也带来了许多新的挑战，特别是对于设计验证和测试。

图1 带有集成高速数据转换器的新型射频前端架构。

射频性能表征的挑战

如果被测设备（DUT）有射频输入和输出端口，那么工程师们就可以用测试仪器对正在开发的射频系统进行性能表征。不幸的是，对于高度集成的射频系统来说，情况不再是这样了。DUT具有混合的射频和数字输入输出端口，如数字基带集成射频前端、宽带收发器IC和高速数据转换器。

数字数据分析

现代数字和射频集成设备和模块包含高速数据转换器，通常能够达到每秒千兆的采样率。测试这些设备的前端射频性能需要记录和分析数字输出数据位。随着采样率的提高以获得更大的带宽，更多的数字数据必须被处理和分析。记录数字数据以分析整个工作频段变得很耗时。对于有许多射频路径的系统，如PAA系统，这必须重复数百次，使完整的表征变得耗时和昂贵。

传统测试工具的局限性

VNA通常用于射频前端模块和组件的精确性能表征。然而，VNA中使用的射频激励响应测量和校准方法已不再适用于测试直接转换数字和射频信号的设备。因此，射频信号分析仪和生成器是唯一可用的选择。缺点是，测量往往依赖于所使用仪器的线性和信号保真度的假设以及工程师的数字数据分析能力。这使得目前的测量方案远不如VNA的射频激励响应方法可靠。

更高频率和更宽带宽下的性能偏差

带有高速数据转换器的射频系统的工作频率继续增加，有时甚至达到毫米波。终端在这些频率上使用指定的频率信道，但设备需要在整个工作带宽上进行测试。由于射频性能在更高的频率和更宽的带宽上变得依赖于频率，因此必须以更细的频率分辨率进行测试，以获得对频率依赖性的准确理解（图2）。对于可以用传统VNA测量技术表征的射频器件来说，这很简单。然而，对于数字和射频混合信号器件来说，它变得更加困难，需要更多的努力。

图2 接收器频率响应与频率分辨率。

数字射频跨域激励和响应测量方法

这种新的测试方法解决了数字和射频混合器件性能表征的工程挑战。它是基于传统VNA测量技术中使用的著名的射频激励响应方法，但经过修改，以适应数字波形的激励或响应。

普通VNA的激励响应测量方法使用扫频单音激励与调谐的窄带接收器进行频率响应测量。相比之下，新的方法包括宽带多音激励与宽带分析技术，以得出设备的频率响应（图3）。³测试波形（数字或射频）是精确定义的，并重复播放响应波（数字或射频），可以在每个频谱分量上与激励波形相干，从而在激励波形带宽内的输入和输出信号之间产生矢量响应测量结果。

图3 扫频单音激励响应（a）与宽频多音激励响应（b）。

这种新的跨域激励响应方法在一组测量中就能得到数字和射频混合设备在频率或功率范围内的射频性能特征，而使用传统的方法，用固定频率的单音激励并捕捉单一频率点的响应，需要几天或几周的时间。

测量实例

测量系统配置

测量系统的配置如图4。测量实例中使用的DUT是一个市售的宽带射频收发器IC，安装在其制造商的评估套件中，带有一个集成DUT控制器。它包括多通道发射器和接收器，分别带有12GSa/s DAC和6GSa/s ADC。测量是通过一个发射器和一个接收器通道完成的。被称为Device Measurement Expert（DMX）的应用软件具有跨域测试能力，控制N524xB PNA-X VNA和外部矢量信号发生器（VSG）。

图4 宽带收发器IC测量配置。

测试接收器时，DMX定义VSG生成的数字IQ波形，除了被测接收器外，还用PNX-X的参考接收器测量。DMX上传从接收器生成的数字IQ波形文件，VNA处理数据。测试发射器时，DMX将数字IQ波形发送到被测发射器和PNA-X的参考接收器。PNA-X测量发射器的输出射频波形并处理数据。这种配置使接收器、发射器和收发器的测量只需一组连接。

校准

在这个配置中，VNA上的测量系统校准是可用的，仅限于射频测试端口。当测量发射器时，激励是数字的，被视为理想波形，用VNA的校准测试接收器测量射频响应波形。当测量接收器时，激励是一个经过失真校正的射频波形，并使用VNA的校准参考接收器进行测量。然后，数字响应波形由被测接收器测量。在射频激励波形校正过程中，波形被预先扭曲，以考虑到除线性误差外的源扭曲误差。这导致了在接收器输入处的射频激励是一个近乎理想的波形。

频率响应测量

图5中的测量例子展示了接收器和发射器增益平坦度与频率的快速测量结果。它包括每个测量结果的近千个频率响应点，在接收器测量中，在4GHz中心频率的1GHz带宽内具有1.1MHz的分辨率（图5a），而在发射器测量中，在4GHz中心频率的2GHz带宽内具有2.2MHz的频率分辨率（图5b）。

图5 测得的增益平坦度：接收器为1.1dB（a），发射器为4.67dB（b）。

使用前面描述的新方法，只用了几分钟就完成了测量，包括设备初始化的时间。与使用信号发生器和信号分析仪的传统方法相比，这是一个非常短的时间。

同样的测量配置在整个工作带宽上产生平均延迟的偏差，不需要额外的努力（图6）。通过重复的多音激励响应方法，相位响应在重复的测量之间被有效地缝合起来，从而产生几乎无限的分析带宽。

图6 测得的与平均延迟的偏差：接收器为1.09ns（a），发射器为320.5ps（b）。

校正的与未校正的测量结果

这些接收器的测量结果突出了可用误差校正选项的影响（图7）。第一个比较了未校正和线性误差校正的测量结果，输入波形（图7a）用VNA的参考接收器测量（图7b）。输出波形用被测接收器测量。其效果表现为轻微的调整。如果在测试仪器和接收器的输入端口之间的路径上有更多的测试附件，如更长的测试端口电缆和开关矩阵，线性误差会更加明显。

图7 线性校正的效果：接收器输入（a）和输出（b）的波形

接下来的一系列测量结果只比较了线性误差校正，以及线性和源失真误差校正之间的测量结果（图8）。射频接收器的输入波形电平被调整了近6dB，在1GHz的带宽上几乎是一个理想的平坦的输入激励，预计这将影响接收器的响应。相应的输出波形表现出对接收器的频率依赖性，比使用源失真未校正激励的结果更清晰。

图8 信号源失真可能显著影响接收器的响应测量结果：接收器输入波形（a）和输出波形（b）。

误差矢量幅度（EVM）测量

新的测量方法还允许对数字射频混合器件进行失真测量。⁴图9所示的例子包括校正和未校正的接收器和发射器EVM测量结果。接收器测量结果中的误差校正包括线性误差和源失真校正。在接收器测量结果中，有明显的EVM改善，并且源失真被最小化，以实现准确的接收器性能表征。线性误差修正只在发射器测试中应用，因为射频源是DUT。发射器中由射频源引入的信号失真是需要表征的内容。

图9 EVM测量结果：接收器未校正（a）和校正（b）；发射器未校正（c）和校正（d）。

结论

新的数字射频跨域激励响应方法展示了数字和射频混合信号器件的快速和精确表征。这种方法利用常用的射频测试仪器，如VNA和VSG来测试新型的数字射频混合器件，预计在可预见的未来，这些器件将成为射频前端架构的常见模块。现有的误差修正有助于提高测量精度，尽管一些残余误差仍然需要消除，如非期望信号隔离。除了频率响应测量外，EVM测量也很有用，因为这些射频系统已经集成到通信应用中。

未来具有混合数字和射频架构的射频系统将继续增长，具有广泛的应用。预计会有更多的测量能力来满足多样化的终端应用要求。这不仅包括线性响应，还包括噪声和失真性能表征。

鸣谢

感谢Analog Devices技术支持团队、Keysight VNA FW团队和许多Keysight科学家。

参考文献

1.           C. F. Castillo-Rubio and J. M. Pascual, “Current Full Digital Phased-Array Radar Developments for Naval Applications,” IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, October 2019.

2.           P. Delos and M. Jones, “Digital Array Using Commercial Transceivers: Noise, Spurious, and Linearity Measurements,” IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, October 2019.

3.           J. P. Teyssier, J. Dunsmore, J. Verspecht and J Kerr, “Coherent Multi-Tone Stimulus-Response Measurements with a VNA,” 89th ARFTG Microwave Measurement Conference, June 2017.

4.           J. Verspecht, A. Stav, J.P. Teyssier and S. Kusano, “Characterizing Amplifier Modulation Distortion Using a Vector Network Analyzer,” 93th ARFTG Microwave Measurement Conference, June 2019.