混合波束成形接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍理論實(shí)踐

作者：Peter Delos、Sam Ringwood和Michael Jones

本文介紹了相控陣混合波束成形架構(gòu)中接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)的測(cè)量與分析的以下比較。商用 32 通道開(kāi)發(fā)平臺(tái)用于通過(guò)測(cè)量驗(yàn)證分析?；仡櫫俗雨嚵胁ㄊ尚蔚慕邮諜C(jī)分析，重點(diǎn)是處理模擬子陣列中信號(hào)組合點(diǎn)時(shí)信號(hào)增益和噪聲增益之間的差異。顯示了對(duì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)接收器性能的分析，并與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。討論了結(jié)果摘要，旨在提供一個(gè)測(cè)量與建模的參考點(diǎn)，可用于預(yù)測(cè)大型系統(tǒng)的性能。

介紹

相控陣波束成形架構(gòu)大致可分為模擬波束成形系統(tǒng)、數(shù)字波束成形系統(tǒng)或兩者的某種組合，利用模擬子陣列進(jìn)行數(shù)字處理以形成最終的天線波束方向圖。后一類基于數(shù)字組合的子陣列通常稱為混合波束成形，因?yàn)樗褂媚M和數(shù)字波束成形的組合。

在業(yè)界對(duì)軟件定義天線的追求中，人們非常希望全數(shù)字相控陣能夠最大限度地提高天線模式可編程性。在實(shí)踐中，特別是隨著頻率的增加，封裝、功耗和數(shù)字處理方面的挑戰(zhàn)迫使數(shù)字通道數(shù)量減少?；旌喜ㄊ尚翁峁┝藢?shí)現(xiàn)工程師通常需要的數(shù)字信道密度緩解，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)成為一種實(shí)用的選擇。

圖1展示了一個(gè)具有代表性的混合波束成形架構(gòu)，顯示了該架構(gòu)中的主要子系統(tǒng)。大多數(shù)混合波束成形系統(tǒng)都是這一概念的某種變體。從右到左的圖表可以直觀地描述架構(gòu)：從空氣中的波前入射到天線元件，通過(guò)微波電路到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，然后通過(guò)數(shù)字處理并進(jìn)入最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。該圖將混合波束成形架構(gòu)說(shuō)明為七個(gè)子系統(tǒng)的組合：

天線元件：將空氣中的微波能量轉(zhuǎn)換為同軸介質(zhì)上的微波信號(hào)。

發(fā)送/接收 （T/R） 模塊：這些模塊包含接收低噪聲放大器 （LNA） 和發(fā)射高功率放大器 （HPA） 以及用于在發(fā)射和接收之間進(jìn)行選擇的開(kāi)關(guān)。

模擬波束成形：將選定數(shù)量的晶片組合成模擬子陣列。

微波上/下變頻：如果工作頻率大于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作范圍，則使用頻率轉(zhuǎn)換從工作頻率轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的中頻（IF）。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：將微波頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字字。

數(shù)字上/下變頻：隨著高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的普及，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器速率通常大于處理帶寬所需的速率。通過(guò)使用嵌入在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成電路（IC）中的數(shù)字上/下變頻功能，將同相/正交相位（I/Q）數(shù)據(jù)流降低到與應(yīng)用處理帶寬相稱的較低速率，可以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

數(shù)字波束成形：最后，將I/Q數(shù)據(jù)流組合成加權(quán)和，形成最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。

圖1.通用混合波束成形射頻框圖。

微波工程師在混合波束成形架構(gòu)中面臨的挑戰(zhàn)之一是隨著系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。級(jí)聯(lián)微波分析有據(jù)可查且易于理解。數(shù)字波束成形測(cè)量已被記錄在案，2,3,4但是，在外推到更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，記錄的測(cè)量與建模的混合波束成形微波指標(biāo)有限，可用作參考。

本文 介紹 了 混合 波束 成形 系統(tǒng) 的 接收 機(jī) 動(dòng)態(tài) 范圍 分析， 并 比較 了 32 單元 混合 波束 成形 測(cè)試 平臺(tái) 的 測(cè)量 結(jié)果 與 預(yù)測(cè) 結(jié)果?；旌喜ㄊ尚卧推脚_(tái)最初是為了在代表性架構(gòu)中驗(yàn)證IC設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)X波段（8 GHz至12 GHz）相控陣架構(gòu)的快速原型設(shè)計(jì)。然而，隨著表征的開(kāi)始，很明顯需要一種系統(tǒng)地預(yù)測(cè)性能指標(biāo)的方法。我們的目的是記錄分析方法以及測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，使工程師能夠構(gòu)建具有特征參考的類似但更大的系統(tǒng)。

原型硬件

開(kāi)發(fā)了32元混合波束成形原型平臺(tái)5如圖 2 所示。詳細(xì)的信號(hào)鏈如圖3所示。

圖2.X 波段（8 GHz 至 12 GHz）相控陣原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

圖3.原型硬件詳細(xì)框圖。

前端由 32 個(gè)發(fā)送/接收模塊和 8 個(gè)模擬波束成形 IC （BFIC） 組成。兩個(gè) BFIC 輸出組合產(chǎn)生四個(gè) 8 元素子陣列。四個(gè)子陣列連接到 4 通道微波上/下變頻器。然后，4通道微波上/下變頻器連接到包含四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和四個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的數(shù)字化儀IC。ADC的采樣速率為4 GSPS，而DAC的采樣速率為12 GSPS。

表征的微波頻率為8 GHz至12 GHz。本振（LO）設(shè)置為高端LO，固定IF中心為4.5 GHz。在此IF頻率下，ADC在第三個(gè)奈奎斯特區(qū)采樣。

商用FPGA板用于數(shù)據(jù)采集。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)MATLAB計(jì)算機(jī)控制接口，可以在真實(shí)硬件中快速表征模擬波形。數(shù)據(jù)分析在MATLAB中進(jìn)行后處理。

模擬子陣列級(jí)聯(lián)分析

所有傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)方程都適用于模擬子陣列的級(jí)聯(lián)分析，但信號(hào)組合點(diǎn)除外。如果信號(hào)在合路器點(diǎn)的幅度和相位匹配，并且噪聲不相關(guān)，則信號(hào)增益和噪聲增益將不同。因此，需要一種方法來(lái)以不同的方式跟蹤這些術(shù)語(yǔ)。

使用的方法

圖 4 說(shuō)明了所使用的方法。圖4a顯示了信號(hào)增益和噪聲增益發(fā)散點(diǎn)。實(shí)合路器具有插入損耗項(xiàng)和理論組合項(xiàng)。這可以如圖4b所示進(jìn)行解釋。最后，如果如圖4c所示跟蹤噪聲溫度，則可以在每個(gè)級(jí)的輸入和輸出端跟蹤噪聲功率。

圖4.模擬相干組合的級(jí)聯(lián)分析方法：分別跟蹤信號(hào)增益和噪聲增益。跟蹤器件噪聲溫度和折合到輸入端的器件噪聲功率提供了一種分別跟蹤這些增益項(xiàng)的方法。

為了計(jì)算任何級(jí)輸出端的噪聲功率，將折合到輸入端的分量噪聲線性添加到輸入噪聲中，然后轉(zhuǎn)換回dBm/Hz并添加到分量噪聲增益中。

要根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算折合到輸入端的噪聲，請(qǐng)計(jì)算噪聲溫度并轉(zhuǎn)換為折合到輸入端的噪聲功率。

噪聲溫度（Te） 可根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算為

其中 T 是以開(kāi)爾文為單位的環(huán)境溫度。

根據(jù)噪聲溫度，可以計(jì)算出折合到輸入端的元件噪聲：

其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)。

連貫梳理的直觀描述

信號(hào)與噪聲組合的直觀視圖有助于可視化該方法的目的。我們首先假設(shè)已經(jīng)執(zhí)行了校準(zhǔn)，導(dǎo)致所有信號(hào)在幅度和相位上都匹配，并且噪聲不相關(guān)，但在組合器輸入端的所有通道上的幅度也相等。

如果僅啟用了元素的子集，我們還需要一種方法來(lái)跟蹤結(jié)果，這在校準(zhǔn)或各種測(cè)試和調(diào)試配置中通常就是這種情況。

信號(hào)和噪聲輸出電平可計(jì)算為：

信號(hào)功率 = 輸入功率 + 信號(hào)增益 信號(hào)增益
= 20log（打開(kāi)通道數(shù)） – 插入損耗 – 10log（合路器輸入端口數(shù)
）

噪聲功率 = 輸入噪聲功率 + 噪聲增益 噪聲增益
= 10log（打開(kāi)通道數(shù)） – 插入損耗 – 10log（
合路器輸入端口數(shù)）

請(qǐng)注意此方法的結(jié)果。表1總結(jié)了幾個(gè)模擬合路器通道數(shù)的信號(hào)增益和噪聲增益，包括每個(gè)輸入都通電和校準(zhǔn)的情況，或者只有一個(gè)輸入而其他端口端接的情況。

級(jí)聯(lián)電子表格

使用所述方法，創(chuàng)建了圖 5 中的級(jí)聯(lián)電子表格。包括跟蹤啟用的元素?cái)?shù)量的規(guī)定。顯示了啟用單個(gè)元素的情況以及啟用所有八個(gè)元素的情況。

圖5.級(jí)聯(lián)計(jì)算。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器捕獲數(shù)據(jù)后，測(cè)量結(jié)果來(lái)自數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的快速傅里葉變換（FFT），因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格包含在結(jié)果中。跟蹤的最終指標(biāo)是稱為接收器輸入的 ADC 指標(biāo)。為了快速驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果，還計(jì)算了給定輸入功率的預(yù)期FFT幅度和互調(diào)積。

測(cè)量數(shù)據(jù)

測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)置如圖2和圖3所示。用于提供接收器輸入、LO、ADC采樣時(shí)鐘和整體系統(tǒng)參考時(shí)鐘的特定實(shí)驗(yàn)室設(shè)備如表2所示。利用系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字化儀IC捕獲以下結(jié)果中顯示的樣本。

校準(zhǔn)

對(duì)于所有測(cè)量，在數(shù)據(jù)分析之前都要進(jìn)行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)由 32 個(gè)天線元件、8 個(gè) BFIC 和一個(gè)包含 4 個(gè) ADC 的數(shù)字化儀 IC 組成。四個(gè)數(shù)字化儀 IC ADC 信號(hào)鏈中的每一個(gè)都包括數(shù)字下變頻器形式的硬化數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 模塊，其內(nèi)部是數(shù)控振蕩器 （NCO），能夠在子陣列級(jí)別的四個(gè)數(shù)字化通道中的每一個(gè)上應(yīng)用相移。因此，八個(gè)天線元件構(gòu)成本文定義的單個(gè)子陣列，并共享一個(gè)公共ADC和DSP信號(hào)鏈。系統(tǒng)中可用的相位和幅度調(diào)整通過(guò) BIC 在模擬域中實(shí)現(xiàn)，并通過(guò) NCO 和可編程有限脈沖響應(yīng) （PFIR） 模塊在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。

最初，選擇通道 1 作為所有其他通道對(duì)齊的基線。在模擬域中，BFIC 可變?cè)鲆娣糯笃?/u> （VGA） 用于對(duì)齊整個(gè)陣列的幅度，BFIC 移相器 （PS） 用于對(duì)齊子陣列內(nèi)的相位。在數(shù)字域中，NCO相位偏移用于對(duì)齊每個(gè)子陣列的相位。