張利紅，陰亞東

(1．福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州　350108；2．中國科學(xué)院微電子研究所，北京　100029)

0　引言

高速發(fā)展的現(xiàn)代無線通信技術(shù)對(duì)射頻收發(fā)電路的線性性能要求越來越高。一方面為了提高頻譜利用率，現(xiàn)代無線通信大多采用線性調(diào)制技術(shù)，而射頻收發(fā)電路中的非線性將造成信號(hào)失真和頻譜擴(kuò)展，惡化接收靈敏度甚至造成信號(hào)阻塞[1]。因此射頻電路產(chǎn)品的非線性測試分析是現(xiàn)代無線通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。

射頻電路非線性特性中增益壓縮、功率飽和交調(diào)特性是較為常見的指標(biāo)[2]，傳統(tǒng)非線性測試主要通過功率掃描方式獲得射頻電路功率曲線，從而分析得出射頻電路的非線性特性。對(duì)于增益壓縮和功率飽和等不存在頻率變換的非線性指標(biāo)，可以利用網(wǎng)絡(luò)分析的功率掃描功能進(jìn)行快速自動(dòng)化測試[3-5]。但交調(diào)特性測試由于需要產(chǎn)生雙音信號(hào)并且存在頻率變換，測試較為復(fù)雜，因此市場上未發(fā)現(xiàn)有專用的測試儀器。

文中提出了一種利用通用射頻測試儀器構(gòu)建的射頻電路交調(diào)特性快速自動(dòng)化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用矢量射頻信號(hào)源中的任意波形產(chǎn)生功能(AWG)[6-7]，實(shí)現(xiàn)了頻差可編程的雙音信號(hào)產(chǎn)生；并提出了一種自適應(yīng)的功率檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速而精確的射頻信號(hào)功率測量；結(jié)合程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(standard commands for programmable instruments，SCPI)[8-9]實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器的自動(dòng)控制并最終實(shí)現(xiàn)了射頻電路交調(diào)特性功率掃描，并完成了基于VB6．0的測試系統(tǒng)可視化軟件設(shè)計(jì)。該測試系統(tǒng)測試儀器的控制測量、數(shù)據(jù)處理等都由系統(tǒng)自動(dòng)完成，最大程度減少了人工操作而縮短了測試時(shí)間并減少了誤操作可能性，特別適用于大規(guī)模批量化的射頻電路產(chǎn)品測試。

1　測試原理分析

1．1射頻電路非線性特性分析

由于非線性的存在，射頻電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間并不是簡單地線性關(guān)系，一般可以采用冪級(jí)數(shù)形式進(jìn)行表示：

(1)

式中an為第n階冪級(jí)系數(shù)，其階數(shù)越大系數(shù)數(shù)值越小，因此電路分析中一般只取前3階。

當(dāng)非線性電路輸入信號(hào)為雙音信號(hào)：

x(t)=A(cosω1t+cosω2t)

(2)

則輸出信號(hào)為：

y(t)=a1A(cosω1t+cosω2t)+a2A2(cosω1t+cosω2t)2+

A3(cosω1t+cosω2t)3

(3)

將式(3)展開后可以看到，輸出信號(hào)不僅存在輸入信號(hào)中的頻率分量還將存在其他頻率分量，且各分量強(qiáng)度分別為：

(4)

其中將由2階系數(shù)產(chǎn)生的頻率分量ω1±ω2稱為2階交調(diào)，而由3階系數(shù)產(chǎn)生的頻率分量2ω1±ω2、2ω2±ω1稱為3階交調(diào)；從公式(4)中可以看出，2階交調(diào)分量強(qiáng)度將與輸入信號(hào)強(qiáng)度的平方成正比；3階交調(diào)分量強(qiáng)度將與輸入信號(hào)強(qiáng)度立方成正比。工程上，一般將輸出信號(hào)中2階交調(diào)分量與雙音信號(hào)分量強(qiáng)度相同時(shí)的輸入信號(hào)強(qiáng)度稱為輸入2階交調(diào)點(diǎn)(IIP2)；而3階交調(diào)分量與雙音信號(hào)分量強(qiáng)度相同時(shí)的輸入信號(hào)強(qiáng)度稱為輸入3階交調(diào)點(diǎn)(IIP3)。

對(duì)于射頻接收機(jī)而言，3階交調(diào)的存在將使信道外的干擾信號(hào)被調(diào)制到信道內(nèi)而造成干擾；同時(shí)現(xiàn)代射頻通信接收機(jī)大多采用零/低中頻下變頻結(jié)構(gòu)，由于混頻器的非理想特性，2階交調(diào)信號(hào)也將饋通效應(yīng)直接調(diào)制到基帶信號(hào)內(nèi)造成干擾，如圖1所示。交調(diào)特性的存在，將嚴(yán)重降低射頻電路性能的下降，因此對(duì)射頻電路交調(diào)特性的測試是非常重要的。

圖1　交調(diào)特性對(duì)射頻接收電路的影響

1．2雙音信號(hào)產(chǎn)生原理

隨著現(xiàn)代測試技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，新型測試儀器層出不窮，任意波形產(chǎn)生(AWG)作為最具代表性的新興技術(shù)逐步由高端走向普及。具有AWG功能信號(hào)源的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其可允許將計(jì)算機(jī)軟件生成的波形數(shù)據(jù)下載至儀器內(nèi)；然后以設(shè)定好的時(shí)鐘頻率通過D/A轉(zhuǎn)換器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)過濾波器平滑后形成基帶信號(hào)；I/Q兩路正交基帶信號(hào)與射頻信號(hào)混頻后產(chǎn)生最終的射頻矢量信號(hào)[10-11]。

圖2　具有AWG功能的射頻矢量信號(hào)源結(jié)構(gòu)

為了得到頻率分量為f1、f2的射頻信號(hào)，可以通過AWG產(chǎn)生以下I/Q基帶信號(hào)：

(5)

同時(shí)將射頻信號(hào)fc頻率設(shè)置為(f1+f2)/2，經(jīng)過上變頻后生成的射頻矢量信號(hào)為：

x(t)=I(t)·cos(2πfct)+Q(t)sin(2πfct)

(6)

此時(shí)下載的I/Q兩路波形數(shù)據(jù)為：

(7)

式中fs為AWG采樣時(shí)鐘頻率.

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，fs至少為(f1-f2)/2的2倍，fs越大越有利于降低數(shù)模轉(zhuǎn)換的量化噪聲功率密度[12]；同時(shí)為了減少波形失真造成的諧波干擾，波形數(shù)據(jù)應(yīng)該至少為m(m≥10)個(gè)完整基帶信號(hào)周期數(shù)據(jù)，因此則有：

(8)

1．3自適應(yīng)功率檢測原理

通常射頻電路輸出信號(hào)強(qiáng)度可以通過頻譜分析儀和功率計(jì)進(jìn)行功率檢測測量，但功率計(jì)只能測量射頻電路輸出總功率，無法鑒別雙音和交調(diào)頻率分量功率，因此只能選擇頻譜分析儀進(jìn)行功率檢測測量。

由1.1分析可知，2階和3階交調(diào)強(qiáng)度分別與雙音信號(hào)強(qiáng)度平方和立方成正比，這意味著當(dāng)雙音信號(hào)較小時(shí)，交調(diào)信號(hào)將很微弱；隨著雙音信號(hào)的增強(qiáng)，交調(diào)信號(hào)迅速增強(qiáng)；因此在功率掃描過程中，交調(diào)信號(hào)將具有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍。利用頻譜分析儀進(jìn)行功率檢測一直存在著精度和速度之間的矛盾。頻譜分析儀參數(shù)主要有掃頻范圍(Span)、分辨帶寬(RBW)和掃描時(shí)間(Sweep Time)，三者之間關(guān)系可以用式(9)進(jìn)行簡單表述：

(9)

從式(9)中可以看出，掃描時(shí)間tST與掃頻范圍成正比，與分辨帶寬平方成反比[13]。從測試速度考慮，tST要盡可能短；從測量精度考慮，RBW要盡可能窄。由于頻譜分析儀自身噪聲以及射頻電路輸出噪聲的影響，當(dāng)交調(diào)信號(hào)較為微弱時(shí)，RBW越窄則噪聲功率越低，信號(hào)功率檢測越準(zhǔn)確，但是測試時(shí)間越長。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交調(diào)信號(hào)的精確測量同時(shí)盡可能的縮短測試時(shí)間，文中提出了一種自適應(yīng)功率檢測技術(shù)。在功率掃描前，其先對(duì)各預(yù)測頻率點(diǎn)處的噪聲功率譜密度進(jìn)行測量和記錄；然后測試系統(tǒng)將首先使用較大RBW值進(jìn)行快速功率檢測，檢測完畢后測試系統(tǒng)將根據(jù)各頻點(diǎn)處的噪聲功率譜密度PSD(ω)|dBm/Hz和RBW，并利用式(10)計(jì)算噪聲功率；

Pn(ω)|dBm=PSD(ω)|dBm/Hz+10log(RBW)|dB

(10)

之后將功率檢測值與噪聲功率進(jìn)行比較，如果比值大于閾值，則說明當(dāng)前功率檢測結(jié)果準(zhǔn)確；如果比值小于閾值，則說明噪聲過大而測量結(jié)果不準(zhǔn)確，測試系統(tǒng)將降低RBW并重復(fù)檢測和判斷；若RBW設(shè)置為最小值而比值仍小于閾值，則表明測試設(shè)置出錯(cuò)或被測信號(hào)超出測試系統(tǒng)測量范圍，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)錯(cuò)警告。

2　測試系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2．1自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

圖3為測試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，測試系統(tǒng)由矢量信號(hào)源(Agilent N5182A)、頻譜分析儀(Agilent N9010A)、被測射頻電路、計(jì)算機(jī)和交換機(jī)等部件構(gòu)成，其中矢量信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)口連接成通信網(wǎng)絡(luò)。測試系統(tǒng)工作原理為：計(jì)算機(jī)根據(jù)參數(shù)設(shè)置而產(chǎn)生雙音波形數(shù)據(jù)并下載至N5182A，然后控制N5182A產(chǎn)生射頻信號(hào)；其次將雙音信號(hào)輸入到被測射頻電路中，而射頻電路輸出則加載至N9010A以進(jìn)行功率檢測；N9010A將在計(jì)算機(jī)控制下完成功率檢測，并將測試數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)處理并保存測試數(shù)據(jù)后，將控制儀器進(jìn)行新一輪功率掃描；最后功率掃頻測試結(jié)束后，計(jì)算機(jī)將處理數(shù)據(jù)并打印結(jié)果。

圖3　交調(diào)測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2．2測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)第2節(jié)的原理分析并結(jié)合SPI控制命令[14-15]，完成了基于VB6．0的測試系統(tǒng)可視化軟件設(shè)計(jì)，測試系統(tǒng)可視化軟件界面如圖4所示。圖5(a)為測試系統(tǒng)軟件流程圖，測試過程分為參數(shù)設(shè)置、噪聲測量分析、雙音波形下載、功率掃描和數(shù)據(jù)輸出等環(huán)節(jié)。用戶通過可視化界面可以設(shè)置雙音信號(hào)頻率點(diǎn)、測試頻點(diǎn)、功率掃描范圍、掃描點(diǎn)數(shù)等參數(shù)。在用戶設(shè)置好參數(shù)并勾擇“確定”選項(xiàng)后，“開始測試”按鈕將被激活，此時(shí)用戶點(diǎn)擊“開始測試”按鈕則將開啟測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)首先將根據(jù)參數(shù)對(duì)測量儀器進(jìn)行設(shè)置，包括N5182A的輸入射頻信號(hào)頻率，N9010A的Span、RBW和參考電平(RELV)等。在噪聲功率測量環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)將首先關(guān)閉N5182A輸入，然后測量雙音頻點(diǎn)和交調(diào)頻點(diǎn)處的噪聲功率，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前RBW計(jì)算頻點(diǎn)噪聲功率密度并記錄保存。在波形下載環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)將根據(jù)參數(shù)設(shè)置而計(jì)算產(chǎn)生雙音波形數(shù)據(jù)并下載至N5182A中，同時(shí)開啟ARB功能并設(shè)置好采樣時(shí)鐘。在功率掃描環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)置的掃描范圍和點(diǎn)數(shù)對(duì)射頻電路進(jìn)行功率掃描；掃描過程中，測試系統(tǒng)將首先設(shè)置雙音信號(hào)功率，然后依次利用新型功率檢測技術(shù)對(duì)射頻電路輸出雙音分量和交調(diào)分量功率進(jìn)行檢測；功率檢測流程如圖5(b)所示，其利用N9010A的標(biāo)記功能(Mark)進(jìn)行功率測量，而每次測量都必須對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行參考電平和噪聲閾值判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整N9010A的設(shè)置，以保證測量的精確性。當(dāng)功率掃描結(jié)束后，測試系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)置要求打印測試數(shù)據(jù)，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4　測試系統(tǒng)可視化軟件界面

(a)測試系統(tǒng)軟件流程圖

(b)功率檢測步驟流程圖

2．3測試系統(tǒng)功能驗(yàn)證

該課題是作為射頻收發(fā)機(jī)芯片項(xiàng)目中配套子課題而研發(fā)的。為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，利用測試系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的射頻前端電路進(jìn)行了接收交調(diào)測試。測試從激活測試開始到最終數(shù)據(jù)輸出完畢的整個(gè)過程都不需要人工操作，而測試時(shí)間不到2 min．最終將測試數(shù)據(jù)輸入到Matlab軟件中進(jìn)行了處理并繪圖，測試結(jié)果如圖6所示。根據(jù)測試結(jié)果可以看出，接收機(jī)射頻前端增益約為26 dB，IIP3約為-20 dBm，IIP2約為4 dBm；測試結(jié)果與電路仿真結(jié)果相近，從而驗(yàn)證了文中自動(dòng)測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)束語

文中在分析射頻電路非線性和交調(diào)特性的原理上，提出了一種射頻電路交調(diào)特性的快速自動(dòng)化測試系統(tǒng)。對(duì)測試系統(tǒng)的雙音信號(hào)產(chǎn)生原理和自適應(yīng)功率檢測原理進(jìn)行了分析介紹，并對(duì)測試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析介紹。最后利用本測試系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)射頻前端進(jìn)行了交調(diào)特性測試，測試結(jié)果與預(yù)期相符，驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)具有快速、精確和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

圖6　實(shí)際接收機(jī)射頻前端交調(diào)測試結(jié)果

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