應(yīng)對(duì)微波測試的信號(hào)合成技術(shù)

　　在無線應(yīng)用中，通過采用大帶寬信號(hào)來獲得系統(tǒng)增益是重要的技術(shù)方法，例如：通信中的跳頻技術(shù)，脈沖壓縮雷達(dá)中的寬帶調(diào)頻，以及擴(kuò)頻技術(shù)等。當(dāng)前實(shí)用的無線電子系統(tǒng)應(yīng)用中，信號(hào)帶寬已經(jīng)達(dá)到了2GHz，工作頻率范圍已擴(kuò)展到毫米波頻段。其中，典型的超寬帶無線應(yīng)用有軍用雷達(dá)、無線通信802.11ad、E-band以及WirelessHD等。

　　增加系統(tǒng)帶寬對(duì)于雷達(dá)而言，意味著高目標(biāo)分辨率；而對(duì)于通信而言，意味著高數(shù)據(jù)傳輸速率。眾所周知，根據(jù)香農(nóng)信道容量理論，提高信道傳輸速率有兩種方式，即：增加帶寬或者提高信噪比。增加帶寬對(duì)于提高傳輸速率而言更為直接，它所需要付出的代價(jià)會(huì)小很多，因此，系統(tǒng)帶寬會(huì)不斷擴(kuò)大。

　　測量中存在的挑戰(zhàn)

　　頻率范圍擴(kuò)展和大信號(hào)帶寬對(duì)測試技術(shù)和儀表提出了新的要求和挑戰(zhàn)。測試中難點(diǎn)主要包括：頻率范圍高，信號(hào)帶寬寬，信號(hào)調(diào)制質(zhì)量要求高等。以WirelessHD系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)以近距離高速數(shù)字視頻信號(hào)傳輸為應(yīng)用目的，最高傳輸速率可以達(dá)到28Gbps。系統(tǒng)工作頻率在60GHz頻段，并使用OFDM調(diào)制方式。

　　在毫米波頻段完成復(fù)雜調(diào)制信號(hào)是對(duì)信號(hào)源儀表的巨大挑戰(zhàn)。WirelessHD使用的頻帶在57.24 GHz~64.8GHz，處在毫米波段。而且信號(hào)為復(fù)雜的OFDM調(diào)制信號(hào)，需要使用矢量信號(hào)源來建立復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號(hào)，對(duì)于毫米波頻段矢量信號(hào)的建立，還需要使用專用的毫米波頻率擴(kuò)展裝置來實(shí)現(xiàn)。

　　WirelessHD每通道的帶寬需要達(dá)到1.76GHz，對(duì)應(yīng)的基帶IQ信號(hào)帶寬需要達(dá)到900MHz。在寬帶信號(hào)建立時(shí)，需要信號(hào)源的基帶信號(hào)發(fā)生器和微波矢量調(diào)制器的帶寬都能滿足大帶寬信號(hào)的要求。

　　為實(shí)現(xiàn)超高速率數(shù)字傳輸應(yīng)用要求，系統(tǒng)采用了OFDM調(diào)制方式，由此對(duì)信號(hào)源的性能指標(biāo)提出非常嚴(yán)格的要求，包含：微波信號(hào)的相位噪聲，基帶高速時(shí)鐘的相位噪聲，IQ信號(hào)幅度平衡度，以及相位正交度。而且IQ通道的延遲系統(tǒng)誤差還會(huì)轉(zhuǎn)化為寄生的高斯噪聲，影響調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量。

　　微波寬帶測試應(yīng)用解決方案

　　當(dāng)前測試儀表技術(shù)發(fā)展已經(jīng)能為微波寬帶測試應(yīng)用提供完整的解決方案。圖1所示為安捷倫（Agilent）公司提供的微波寬帶測試系統(tǒng)，主要包含：微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5247A，微波信號(hào)源E8267D，微波信號(hào)分析儀PXA，任意波形發(fā)生器M8190A和寬帶示波器DSA-X93204A等。這些設(shè)備能夠滿足從器件到系統(tǒng)級(jí)的測試應(yīng)用要求，可以完成對(duì)微波器件、基帶、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)完整參數(shù)的測試。在測試應(yīng)用中，能夠在基帶IQ接口、微波等關(guān)鍵接口上完成測試，為微波寬帶應(yīng)用提供了完整的測試分析手段。

　　在微波寬帶的發(fā)射機(jī)接收機(jī)測試應(yīng)用中，測試儀表的具體組成配置如圖2所示。其中，上半部分為信號(hào)建立部分，它包含了M8190A寬帶任意波發(fā)生器，E8267D微波矢量信號(hào)源，N5152A毫米波擴(kuò)頻裝置，和信號(hào)建立軟件工具81199A。這些儀表能根據(jù)WirelessHD/WiGi等標(biāo)準(zhǔn)的要求來建立標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。輸出的信號(hào)形式包含波形文件，基帶模擬IQ信號(hào)和微波調(diào)制信號(hào)。該部分在發(fā)射設(shè)備測試中，能夠提供標(biāo)準(zhǔn)基帶IQ信號(hào)，于用戶開發(fā)的調(diào)制器和微波電路進(jìn)行連接測試；在接收機(jī)通道測試中，能夠提供微波激勵(lì)信號(hào)和基帶信號(hào)，而分別進(jìn)行全接收機(jī)系統(tǒng)和基帶處理器的測試驗(yàn)證。它具備很強(qiáng)的使用靈活性和擴(kuò)展能力。圖2下半部分為信號(hào)分析儀表，主要的測試儀表包含：N1999A毫米波變頻器，DSA-X93204A寬帶示波器，PXA微波信號(hào)分析儀及81199A信號(hào)分析軟件。該部分能夠提供信號(hào)的頻譜、雜散、功率時(shí)間關(guān)系和調(diào)制精度等參數(shù)，能夠完整地測試基帶收發(fā)通道中的基帶IQ信號(hào)和微波毫米波信號(hào)。

　　在微波寬帶信號(hào)的實(shí)現(xiàn)過程中，需要綜合使用信號(hào)建立軟件，基帶信號(hào)源，微波寬帶矢量信號(hào)源及毫米波擴(kuò)展器等儀表。建立的過程包含波形計(jì)算，基帶建立，矢量調(diào)制和微波變頻等步驟。

　　波形的計(jì)算過程用于產(chǎn)生基帶的電壓波形。儀表支持用戶計(jì)算數(shù)據(jù)的輸入，波形計(jì)算建立的軟件工具主要有Matlab和Systemvue等EDA工具。針對(duì)WirelessHD等協(xié)議的復(fù)雜調(diào)制波形可以由軟件81199A產(chǎn)生，此軟件用于產(chǎn)生微波超寬帶調(diào)制信號(hào)，包括WirelessHD和WiGig等。它可以根據(jù)用戶的設(shè)定改變信號(hào)參數(shù)，如調(diào)制方式、數(shù)據(jù)長度等信息。

　　基帶建立過程把計(jì)算的電壓波形用硬件實(shí)現(xiàn)，需要用到的儀器是任意波形發(fā)生器Agilent M8190A，其模擬輸出信號(hào)帶寬可以達(dá)到5GHz。由于采用14位高性能DAC技術(shù)，信號(hào)的頻譜性能和調(diào)制精度能夠保證寬帶調(diào)制信號(hào)的性能指標(biāo)。

　　矢量調(diào)制過程是把任意波發(fā)生器產(chǎn)生的基帶信號(hào)調(diào)制到微波頻率上，需要用到的儀器是Agilent E8267D寬帶微波矢量信號(hào)源。E8267D信號(hào)的調(diào)制帶寬可達(dá)2GHz，能夠滿足微波寬帶調(diào)制信號(hào)的建立要求。

　　毫米波擴(kuò)頻裝置將微波調(diào)制信號(hào)搬移到所需的毫米波頻段，可以采用專用的毫米波上變頻器或毫米波信號(hào)源。Agilent E8257D毫米波信號(hào)源的最高頻率可達(dá)67GHz，并且還可以配置內(nèi)置的混頻器選件，該設(shè)備完全滿足測試的需求。

　　在微波寬帶信號(hào)的建立上，信號(hào)建立的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面：

　　寬帶任意波形發(fā)生器的寬帶DAC技術(shù)：Agilent M8190A是一款基于AXIe總線標(biāo)準(zhǔn)的高性能任意波形發(fā)生器。該儀表的核心是寬帶DAC電路技術(shù)。該電路為Agilent獨(dú)立自主開發(fā)，通過采用磷化銦先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大寬帶和高精度性能的突破。M8190A可配置為兩種工作模式：模式1為輸出采樣率12G，轉(zhuǎn)換位數(shù)12位；模式2為采樣率8G，轉(zhuǎn)換位數(shù)14位。基于此技術(shù)，M8190A寬帶任意波發(fā)生器輸出信號(hào)的相位噪聲，載波抑制，諧波抑制等性能得到很大提高，諧波儀表性能可達(dá)到-72dBc，從而保證了在寬帶OFDM調(diào)制信號(hào)建立時(shí)信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。圖3為M8190A產(chǎn)生多音信號(hào)的雜波抑制性能，多載波信號(hào)帶寬為3GHz，雜散的抑制性能達(dá)59dB。

　　E8267D微波信號(hào)源的寬帶矢量調(diào)制技術(shù)：Agilent E8267D微波信號(hào)源的矢量IQ調(diào)制帶寬可以達(dá)到2GHz，并能夠保持很好寬帶調(diào)制精度。另外，該儀表領(lǐng)先的相位噪聲性能也是微波寬帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)的重要保證。圖4所示為E8267D信號(hào)的寬帶矢量調(diào)制的頻響特性，在2GHz的頻帶范圍內(nèi)，幅頻響應(yīng)的波動(dòng)小于4dB。圖5所示為E8267D輸出信號(hào)在各頻段的相位噪聲指標(biāo)。當(dāng)輸出頻率為20GHz時(shí)，在偏移1kHz處，相位噪聲指標(biāo)為-110dBc/Hz。

　　寬帶信號(hào)的校準(zhǔn)技術(shù)：信號(hào)源儀表可實(shí)現(xiàn)2G的調(diào)制帶寬。在如此寬的頻帶內(nèi)，會(huì)存在儀表硬件、外連電纜的系統(tǒng)誤差，包含：寬頻帶范圍內(nèi)的頻響誤差和IQ誤差等。這些誤差會(huì)惡化信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量和頻譜性能。矢量建立軟件中包含了信號(hào)系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)和補(bǔ)償技術(shù)，從而保證了信號(hào)的頻譜性能和調(diào)制精度指標(biāo)。

　　利用Agilent DSA-X93204A寬帶示波器和分析軟件，可以提供WirelessHD信號(hào)完整的信號(hào)參數(shù)，并能對(duì)信號(hào)故障原因進(jìn)行判斷。圖6是在實(shí)測應(yīng)用中，正常信號(hào)（a）和失真信號(hào)（b）的測試結(jié)果。通過頻譜測試和星座圖及匯總數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，失真信號(hào)的問題來源主要是電路中相位噪聲的惡化。

　　本文小結(jié)

　　本文以超寬帶信號(hào)的合成為技術(shù)背景，以WirelessHD的信號(hào)合成為例，介紹了在測試測量中存在的高頻率、大帶寬和高精度要求等挑戰(zhàn)，并介紹了安捷倫公司所提供的全面的測試測量方案以及關(guān)鍵技術(shù)。