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 留言

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

原文始发于微信公众号（actMWJC）