数字宽带收发信机测试解决方案 架起连接数字域和射频域的桥梁

[{"attributes":{"bold":true},"insert":"连通性和感知测试需求不断增长 "},{"insert":"\n针对国防任务提高情景感知能力。为城乡环境中的跨国企业和手机用户提供不间断的无线连通性。这些不过是借助射频RF）传感功能推动安全连通性需求的几个使用场景。就无线系统而言，它们的目标是在收集和共享信息时实现更高的安全性。 \n具有低地球轨道卫星星座的第五代非地面网络能够提供无处不在的全球覆盖，有望满足这些使用场景的需求。这类网络采用了有源电子扫描阵列天线。例如，机载火控雷达、军事通信和用于自动驾驶汽车的射频传感等诸多应用就采用了相控阵天线来实现高效可靠的连通性和传感能力。 \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"不断升级的射频前端满足 SWAP+C 要求 "},{"insert":"\n随着各种应用开始采用相控阵天线，网络体系结构已经走上了新台阶，从而满足尺寸、重量、功率和成本（SWaP+C）要求。为了向更高阶段演进，天线系统需要可扩展的数字波束赋形和更加丰富的功能来满足应用需求，比如在用户器件或数据带宽的最大能力范围内，借助火控和动态通信链路实现多目标跟踪。 \n新一代射频前端体系结构需要尽量缩小每个功能模块，并用软件替代一部分硬件，通过集成数字基带和数据处理要素来减少互连。得益于射频元器件和数据转换器技术的进步，数字集成射频前端已成为一种实用的设计体系结构，可以在未来的许多射频通信和传感系统中实现。 \n \n数字射频跨域测试解决方案具有以下优势： \n• 支持新型数字射频激励响应测试 \n• 表征数字集成射频前端的真实性能 \n• 展示宽带收发信机的射频性能 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"更高的集成度带来重重挑战 "},{"insert":"\n高度集成的射频系统具有高速数据转换器和大工作带宽，它们拥有诸多优势（图 1）。但是，它们也在设计和性能验证方面给工程师设置了障碍。工程师需要快速克服这些障碍才能设计和构建满足应用需求和上市时间要求、降低成本且具有竞争优势的射频系统。 \n "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/896176ecad3def0a.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. 凭借新的数字基带体系结构，集成射频前端可以采用具有千兆赫采样率、更高工作频率和瞬时射频带宽的高速数据转换器 \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"更多数字数据有待分析 "},{"insert":"\n高速数据转换器是发射机和接收机中的关键元器件，通常具有较大的信息带宽。现代宽带发射机和接收机将高速数据转换器和射频前端集成到一个模块中，避免了对它们单独进行性能表征。 \n测试数据转换器需要用到射频测试设备。射频前端的测试则需要记录并分析数字输出数据比特。针对更大带宽提高采样率意味着您需要处理和分析更多数字数据。通过记录数字数据来分析接收机的全部工作射频带宽需要花费大量时间。对于具有许多射频路径的系统（例如阵列天线中的大规模多路输入多路输出和发射/接收模块）而言，这个过程需要重复成百上千次，因此很难进行完整的表征。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"传统射频测试工具的局限 "},{"insert":"\n射频信号发生器和分析仪仍然可用于测试现代发射机和接收机。矢量网络分析仪可以精准地表征射频前端和元器件的性能。然而，激励响应测量和校准无法再用于测试直接转换数字和射频信号的器件。接收机表征通常有赖于信号发生器的线性度和信号保真度，以及用户分析接收到的数字数据的能力。尽管发射机表征遇到的问题比较少，您仍然需要考虑测量和测试设置错误。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"高频率大带宽下的性能 "},{"insert":"\n具有高速数据转换器的射频系统不断提高工作频率，在用于 Ka、Q 和低 V 频段卫星链路时甚至会进入毫米波频率范围。这些频率使用的是分配给最终应用的指定信道，但需要在整个工作带宽上对设备进行测试。在高频率大带宽下，射频前端的性能越发会受到频率的影响。 \n举个例子，在某个通道中的某个点上表征的发射机性能可能会与同一通道的其他点不同。随着工作频率提高，其中的差异变得更加显著。工程师必须以更高的频率分辨率进行测试，才能准确了解在更高、更宽频率下运行的器件受到频率的影响。这种对射频器件的简单测试在用于数字到射频混合器件时需要更多操作。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"连接数字域和射频域的解决方案 "},{"insert":"\n是德科技数字宽带收发信机测试解决方案能准确表征直接支持数字到射频的混合器件。这样能够揭示现代发射机和接收机射频前端的真实性能。 \n该解决方案由高性能矢量网络分析仪、矢量信号发生器以及测量和分析软件（图2）组成。整个系统包括用于被测发射机和接收机的可定制数字数据和控制接口。测试设置界面和分析采用新宽带收发信机器件类别和Device Measurement eXpert（DMX）软件上的 IQ Waveform Creator，从而将数字域和射频域衔接了起来。 \n "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/f9f180c2e09f9664.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 借助宽带收发信机器件类别，DMX 可以使用 IQ Waveform Creator 上定义的测试信号测试混合数字到射频器件。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"跨域激励与响应系统 "},{"insert":"\n频率响应是高频宽带射频系统的一个重要性能特征。这样一个系统务必要保持系统线性度并实现所需的信号接收和传输性能。然而，测量数字到射频混合器件的频率响应颇有挑战。举个例子，在接收机测量中，射频信号发生器输出所需信号，被测接收机则会接收信号并进行数字化处理。这些任务由两个独立的系统完成。 \n是德科技数字宽带收发信机测试解决方案将信号生成与射频仪器有效集成，还将信号接收与被测接收机有效集成，从而获得频谱相关性。 \n信号生成和接收过程中的数据转换具有与采样周期相同或为其整数倍的采样率，这就形成一个数字射频跨域激励响应测量系统。该解决方案包括对射频仪器的线性 S 参数进行误差校正和失真误差校正，从而揭示被测发射机和接收机的真实性能特征。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"快速频率和响应测量 "},{"insert":"\n使用频谱相关技术进行跨域激励响应测量主要有以下两点优势 ： \n• 快速频率和功率响应测量 \n• 线性和失真表征 \n多个频率分量有助于创建激励信号（在发射机测试中为数字信号，在接收机测试中为射频信号），从而覆盖所需的频率带宽。这些信号会重复播放。工程师在同一周期或整数倍周期内不断获取响应信号，以获得更好的精确度以及更高的灵敏度和稳定性。激励信号与响应信号之间的关系支撑了线性相关的频率响应测量，例如增益平坦度（图3）和时延偏差（图 4）。它也支持误差矢量幅度（EVM）之类的不相关失真测量。 \n性能表征与功率的关系也遵循同样的原则。在这个示例中，激励信号是一个频率分量，其幅度由范围和步长界定。该解决方案可得出压缩和饱和性能特征。\n "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/4e0b017f76e18c0b.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"数字宽带接收机表征 "},{"insert":"\n要想全面了解数字宽带接收机的特性，您需要掌握两个领域的知识：模拟信号调理和具有数据转换的数字信号调理。然而，这两个领域的知识和专业经验通常掌握在不同的团队手中：高频射频设计团队和数字信号处理团队。 \n在新的体系结构下，数字宽带接收机融合了这两方面的功能，您需要掌握这两个领域的知识才能进行全面的性能表征。是德科技的跨域测试解决方案无需用户去学习复杂的知识，而且简化了测量过程。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"创建激励信号"},{"insert":" \n接收机测量中的激励信号是射频信号。这个过程使用外部矢量信号发生器进行频率响应测量，其中包括通道间偏差测量。相比之下，矢量网络分析仪（VNA）的内部信号发生器提供功率响应、双音互调失真（IMD）和噪声系数测量。 \n有了Keysight S94610B 数字宽带收发信机分析软件，您可以直接为使用内部信号发生器进行的测量指定激励信号，这个过程就像在VNA 上设置一样简单。使用外部矢量信号发生器时，您可以在VNA 调制失真应用软件的波形设置特性上定义激励信号，也可以使用数字宽带收发信机分析软件中的Waveform Creator来定义激励信号。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"被测接收机的初始化处理"},{"insert":" \n数字宽带收发信机分析软件包括可定制的被测器件（DUT）控制。该功能可以设置器件的工作时钟、采样率、接收模式、数字信号调理、数据格式和其他变量。用户通常通过器件的应用编程接口（API）发送命令集或调用可执行脚本，从而在表征开始时执行一次初始化操作。是德科技专家能够使用客户提供的用户规范进行定制，用户也可以针对不适于向第三方披露的专有规范进行定制。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"配置测量"},{"insert":" \n完成接收机初始化定义后，您可以在数字宽带收发信机分析软件中配置测量参数和数据分析。该软件能在射频信号发生器上播放激励信号，触发被测接收机捕获信号，然后将捕获的结果传输给测试系统进行分析。 \n图5 所示为在中心频率为 800 MHz、带宽为 76 MHz 的射频宽带收发信机集成电路上使用接收机通道进行的测量。 \n "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/18238f7b9e1ae1ff.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"数字宽带发射机表征 "},{"insert":"\n工程师普遍使用矢量信号分析仪来测试发射机。这些分析仪依然是数字宽带发射机测试的有效工具。然而，这种方法主要表征的是传输信号的质量，而不是射频前端的性能特征。在已有的矢量信号分析能力之上，是德科技数字宽带收发信机测试解决方案还可以将发送的信号与理想信号进行对比。\nVNA 校准功能可以消除由测量设置（射频电缆、夹具和射频信号路径中的其他元素）引起的系统误差。它从测得的输出信号中提取真正的发射机性能。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多通道射频前端表征 "},{"insert":"\n现代收发信机的一个器件或模块中包含多个发射和接收通道。通道数量不尽相同：双极化天线只有两个通道，而相控阵天线子模块则有64 个甚至更多通道。基于 VNA 的数字宽带收发信机测试解决方案由多个测量通道组成，可同时进行多通道发射机和接收机测量。这形成了通道间增益和时延差异，有助于精准对齐阵列天线响应。图 6 中的示例为双通道发射机测量。它同时测量两个发射机输出信号，并计算增益和时延差异与通道间的频率。 \n"},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/a74f01d53ac9ea66.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6. 使用双通道发射机测量的通道间增益和时延差异 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"解决方案配置 "},{"insert":"\n表1至表3为数字宽带收发信机测试解决方案配置示例。请参阅各产品配置指南了解有关可用功能和附件的详细信息。 \n"},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/05935de29f941956.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/1bca18fcaa530877.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/60517cf8498df421.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"定制解决方案 "},{"insert":"\n是德科技数字宽带收发信机测试解决方案使用被测发射机生成激励信号，或者是使用被测接收机测量响应。这种方式需要将被测器件紧密集成到测量系统中，并针对独特且通常为专有的器件技术指标进行以下定制（图7）。 \n"},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/659423b62ef10b99.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 7. 是德科技的数字宽带收发信机测试解决方案包括三个定制领域 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"采用独一无二的数字接口 "},{"insert":"\n大多数发射机和接收机通过控制器件或模块进行操作，此类器件或模块可能是类似 \nPC 的标准器件，也可能是完全自定义的微型控制器。控制器件执行以下任务 ： \n• 管理电源、时钟分配和排序 \n• 设置和更改器件操作，例如切换发送和接收模式、设置增益和时延，以及嵌入式数字或模拟信号的调理/滤波 \n• 发送和接收命令和数字数据\n数字宽带收发信机分析软件包括一个可定制的软件接口，可以连接被测器件对其进行初始化处理、触发信号输出和数据采集，以及向被测器件发送或从被测器件接收数字信号文件。只有专有接口的被测器件控制器可能需要定制额外的硬件。 \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"整合被测器件控制 "},{"insert":"\n射频前端的性能特征通常包括响应与被测器件设置，例如增益线性与增益设置以及时延线性与时延设置。这些共同特征对于相控阵天线精准控制波束至关重要。它需要采用同步的方式以不同的器件设置触发测量，从而在各种器件设置下高效测量响应。理想情况下，您应当使用外部硬件触发输入和输出来设计用于测试的发射机和接收机，从而最大限度提高测试吞吐量。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"生成测试波形 "},{"insert":"\n激励信号必须满足在输入和输出波形之间实现频谱相关性的要求。因此，您通常需要对用户定义的测试信号重新进行采样，以便根据测试仪器和被测器件操作规范创建正确的测试波形。数字宽带收发信机分析软件包括 Waveform Creator。它能降低调整测试波形的复杂性，并且生成可以兼容特定的测试设置、器件配置及测量参数的数字波形文件。 \n "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/1d47499109f4a16f.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://community-1252773949.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/article/2033/97f1415cfc3ef5b9.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 8. Waveform Creator 定义的扫频测试信号 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"集成和定制 "},{"insert":"\n虽然上述特性都相当灵活，足以支持客户在内部完成定制，但是德科技定制解决方案事业部还为您提供一站式测试系统集成和定制服务。我们可以通过以下方式提供帮助 ： \n• 集成、测试、安装和验证 \n• 使用客户或第三方 API 的自定义被测器件控制 \n• 数字接口开发（连通性、数据缓冲区可访问性、数据重新格式化） \n• 数字测试波形创建 \n• 射频信号调理以及多端口信号路由和切换 \n• 夹具测试、校准和夹具去嵌入 \n• 测试自动化（测试执行、测试数据管理） \n• 培训与支持 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"结论 "},{"insert":"\n数字宽带收发信机测试解决方案可以解决数字-射频混合器件开发过程中悬而未决的工程难题。射频工程师在处理大量数字数据时总是忙的焦头烂额，而数字工程师一般都对射频问题知之甚少。数字宽带收发信机测试解决方案架起了数字域和射频域之间桥梁，可以简化设计验证和测试工作。该解决方案不需要您对大量数字数据展开内部分析，从而能够让您集中精力进行设计和开发，加快上市进度。您可以持续使用值得信赖的测试方法和测试工具，帮助您提高产品质量，获得极其出色的产品技术指标。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"参考资源 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"相关文献 "},{"insert":"\nPNA 和 PNA-X 系列微波网络分析仪，手册 \nPNA 系列微波网络分析仪（N522x/3x/4xB），配置指南 \nS93070xB 用于 PNA-X 的调制失真应用软件，技术概述 \n选择信号发生器，技术概述 \n航空航天与国防系统团队，宣传册 \n \n——转自是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]