宽带测量技术白皮书

1.复杂电子系统的发展及其测量需求



典型的复杂电子系统主要有：宽带雷达，捷变频电台，电子对抗，宽带无线通信，卫星通信等系统。
射频微波电路是复杂电子系统的重要组成部分，主要完成发射和接收信号的功率控制和频率搬移，对整个电子系统灵敏度，动态范围等指标有决定性的影响。典型的射频微波电路包含天线，放大器，滤波器，频率合成器，传输线等有源和无源电路。随着系统功能和性能要求的提高，电子系统对这些射频微波电路的要求越来越高，带宽要求越来越宽，很多系统要求500MHz或1GHz以上的带宽。
高速数字电路是复杂电子系统的另一重要组成部分，主要完成复杂信号的生成，复杂信号的处理，大数据量和高速信号的传输，对整个电子系统工作速度，机动能力，工作可靠性等都有关键性的影响。典型的高速数字电路包含FPGA和DSP电路，高速接口器件，工业标准总线，高速电缆/光纤和高速背板等互连电路。随着系统功能和性能要求的提高，电子系统对这些数字电路的要求越来越高，信号速率从3Gbps量级正向着10Gbps量级迈进。
对复杂电子系统的测量涉及最新的仪器技术和测量方法，总体归类表1所示。

表1 宽带电子系统的测量需求和仪器方案


下面展开分别介绍这4个部分。

2.宽带信号的产生

宽带仪器产生宽带信号的框图如图1所示，系统包括：信号产生工具，任意波形发生器，宽带矢量信号源。
信号产生工具用来产生复杂的宽带信号，把这些信号数据下载到任意波形发生器中。任意波形发生器产生基带IQ信号，通过矢量信号源的外部IQ调制，最终通过信号源的RF端口输出。



图1 宽带信号产生框图

宽带仪器产生宽带信号的考虑因素参考表2。对于信号产生工具，主要考虑其是否能够产生足够复杂的信号，以满足测试需求。最好工具具备仿真的能力，可仿真复杂环境下的数据。同时最好支持各种前期经过设计和验证的库，比如雷达库，通信信号库，导航库等，这样可以快速和标准化的产生各种复杂信号。SystemVue就是可以满足这种要求的信号产生工具，具备复杂系统的仿真设计能力，技术专家已经设计好了许多库，满足各种信号产生的要求。
对于任意波形发生器，要求具备足够的带宽，足够的存储深度，同时具备足够的硬件性能。任意波形发生器的关键器件是DAC，足够高性能的DAC是确保任意波形发生器高性能的关键。一般需要12位以上，具备足够的采样速率，无寄生动态范围大，谐波失真小，噪声本底小。噪声本底很关键，因为很多复杂信号要求仪器噪声本底小于-140dBm/Hz，使得经过校准或数字预失真后，信号波形质量能够满足测试要求。
对于矢量信号源，首先要求保证带宽和保证信号质量。所以一般不用上变频处理的手段，因为其难以保证信号质量。用上变频器的手段的问题主要体现在镜像较大（无法通过校准处理掉），动态范围有限（混频器的非线性行为导致）。所以，最好使用宽带调制器的方式实现宽带信号产生的目的。另外，还需要考虑矢量信号源的信号载波频率范围，信号载波功率调整范围等因素。

表2 宽带信号产生的考虑因素




常用的信号产生工具如表3所示，可选用ADS/SystemVue仿真设计软件，Matlab工具软件，或仪器采集的数据。SystemVue是推荐的信号产生工具，它是一个系统级的仿真设计软件，可提供各种复杂的模拟、数字、数模混合、编码等仿真设计能力，可用于各种复杂系统仿真设计场合。SystemVue有各种软件库，如雷达库，无线通信库，导航库等，可帮助使用者进行快速准确的仿真设计。

表3 常用的信号产生工具


宽带信号产生所用到的关键硬件，即任意波形发生器和矢量信号源的典型技术指标如表4和表5所示。这两台仪器在业界的同类产品中性能指标都是最高的。M8190A可达14位和8GSa/S采样速率，双通道输出，可产生高带宽高品质的IQ信号或其他信号。E8267D的频率可达44GHz，调制器带宽可达2GHz，配合M8190A可产生高品质的宽带信号。

表4 任意波形发生器典型指标


表5 矢量信号源典型指标




宽带信号产生的另一个关键点是：校准或数字预失真。不论是使用宽带仪器，宽带器件，或自己设计的宽带系统，校准或数字预失真都是一个必须的过程，因为宽带仪器或器件及系统，只靠硬件性能是无法产生比较完美的宽带信号。校准的参数和处理过程如表6所示。

表6 宽带信号产生中的校准内容和校准过程


图2是频响校准的实例，由宽带仪器产生100个音的多音信号，用频谱分析仪自动测量每个音的功率，形成校准表，通过软件修正后，输出的频响是非常平坦的，可满足各种测量的要求。



图2 频响校准前后状态

3.宽带信号的分析

能进行宽带信号分析的仪器主要有：
1.宽带频谱信号分析仪。如PXA N9030A，频率可达50GHz（外混频可到110GHz），分析带宽可达160MHz（外部数字化仪可达800MHz）。N9030A还支持实时频谱分析功能，实时带宽160MHz，最小捕获脉宽3.57us。
2.实时示波器。如Infiniium 90000Q，带宽可达63GHz，采样率可达160GSa/s，存储深度可达2GB。使用示波器分析射频微波信号的原因是弥补频谱信号分析仪带宽的不足，分析带宽高达63GHz。同时用示波器可进行模拟IQ信号的分析，因为示波器的4个通道是相参的，而且使用探头容易进行在线测量和差分测量。
3.逻辑分析仪。如U4154A，单模块支持136通道，状态速率可达4Gbps，定时速率可达12.5GHz，存储深度可达200M/通道。支持FPGA动态探头，支持矢量信号分析仪软件。适合分析数字IQ，数字IF，FPGA内部的信号。



图3 先进仪器对宽带信号的测试和分析

仪器最基本的功能是提供被测对象的测试结果，当测试结果不满足要求时，先进仪器提供的技术能力能大大提高故障判断的效率，为问题的解决提供丰富的技术途径。首先现在仪器能对被测电子系统各个关键节点提供独立的测试手段，包含数字信号，基带信号，中频和射频信号等，而且分析的工具能实现统一化，如图3所示，可以利用逻辑分析仪，实时示波器，频谱信号分析仪分别对接收机系统的数字基带，模拟基带和射频信号进行测试，这些仪器采集的信号波形数据都能通过矢量分析软件来进行分析，分析功能包含频谱，时域和解调分析等。这样在统一的分析环境下对数字信号，基带信号和射频信号的测试结果进行对比，能大大提高问题定位的效率。89601B矢量分析软件为核心的矢量信号分析系统，可以支持全系列的逻辑分析仪，实时示波器和频谱信号分析仪。
宽带系统的主要宽带测量和分析的参数如表7所示。

表7 宽带系统主要宽带测量参数和使用仪器



下图4列举了几个典型的测试。图中1是带宽达2GHz的雷达信号的Chirp特征分析；图中2是宽带信号的频谱测试；图中3是接收机噪声系统测试设置图。 [p]



图4 宽带信号测量和分析实例（1.雷达信号Chirp特征分析；2.频谱特征测试；3.接收机噪声系数测试）

使用宽带仪器进行宽带系统的信号分析，除了测量确定系统和信号的指标外，也用信号分析的手段帮助定位问题的可能根源。因为分析软件能独立地分析信号的幅度误差，频率误差和相位误差，这样可以判断误差的基本来源，分析过程中，可以利用时域和频域的关联分析来得到误差的特性是随机误差还是周期误差，这样问题信号的来源就很快得到定位。表8是典型电子系统误差来源分析的案例。

表8 典型电子系统误差来源分析

4.宽带器件的测量

宽带系统里常见的宽带器件是：ADC/DAC，DPD，天线/放大器/混频器/滤波器等。这些器件的性能参数对整个宽带系统影响很大。对这些器件的测量需要多种仪器和软件来实现。表9列举了各个器件的测量参数和使用仪器。

表9 宽带器件测量参数和使用仪器


图5是典型的高速ADC/DAC测试系统设置框图。上面部分是高速ADC测试系统框图，使用MXG/PSG信号源产生正弦波或无线通信信号通过滤波器滤波后输入到被测ADC，使用PSG作为ADC的高精度采样时钟，ADC数字化后，用逻辑分析仪采集数字化后的数据，用软件进行参数分析。如果是静态参数，则使用低频正弦波；如果是动态参数，则使用高频正弦波；如果是实际工作的性能参数测量，则使用实际的无线通信信号。
图5下面部分是高速DAC测试系统框图，使用81250A并行误码仪作为并行码型激励源，产生静态信号或正弦波信号，使用8位半高精度万用表3458A测量静态参数，使用频谱分析仪捕获被测DAC输出的模拟正弦波的频谱，再使用软件进行参数分析。



图5 高速ADC/DAC测量系统设置框图

针对DPD的测量过程和测试系统框图如图6所示。使用MXG/PSG作为激励，使用PXA作为采集和矢量信号分析仪软件89601B作为分析，信号的产生和测量的过程由配备DPD选件的SystemVue完成。测量的过程是先产生DPD激励，用PXA捕获PA响应，SystemVue提取DPD模型。然后结合模型重新产生信号，用PXA捕获DPD+PA的响应，再验证DPD+PA的响应，如果有问题或不满足要求，可重复这个过程。



图6 DPD测量系统设置框图和测量过程

网络分析仪是测试射频微波器件的基础性常用仪器，测试应用中，网络仪的基本特点是测试参数完整和测试精度高。传统网络仪主要测试器件的传输反射S参数，由于采用闭环的仪表体系结构和支持校准技术消除系统误差，网络仪可以提供其它仪表不能比拟的幅度和相位参数测试精度。
随着 PNA-X/PNA系列网络仪的推出，传统网络仪的测试功能甚至很多测试应用的方法正在发生变化，所以PNA-X网络仪是网络分析仪测试技术发展的里程碑式的产品，PNA-X网络仪的主要技术突破主要包含以下几个方面。

表10 PNA-X网络分析仪的主要技术突破



在 PNA-X网络仪的测试功能中，引入了测试类(Measurement Class)的概念，在应用中，根据被测件的类型和测试参数不同来进行选择。例如：测试器件的类型可以分为非变频器件和变频器件，测试参数可以设定为线性S参数，非线性参数（包含功率压缩参数和交调抑制参数）和噪声系数参数。


图7 PNA-X的测试功能

图8为PNA-X网络仪典型测试显示结果，利用多个测试通道来定义多参数测试，包含通道1的驻波，增益测试，通道2的交调测试（支持点频和扫频），通道3的功率压缩点测试（支持点频和扫频测试），通道4的噪声系数测试和通道6的脉冲时域测试。测试中不需要改变被测件连接，只需要切换测试通道就能完成所有参数测试，这对于应用的价值，这不是简单减少了连接的次数和测试时间，由于射频微波器件的很多指标是互相关联影响，需要在设计中进行折衷优化设计，例如端口匹配要综合考虑噪声系数和增益性能，在调试状态下同时观察驻波和噪声系数能大大提高器件产品的调试速度。而且所有这些参数的测试都是基于网络仪的校准状态下进行，能大大提高测试的精度。


图8 PNA-X网络仪完成单次连接多参数测试

PNA-X为射频微波器件应用技术发展的重要贡献还包含非线性X参数的测试和建模，基于PNA-X构建的非线性网络仪系统NVNA能测试非线性器件谐波和交调成份的幅度和相位，提供完整的时域和频域测试结果，基于X参数测试和模型的建立大大提高了功率放大管非线性模型的准确度，使仿真设计功率放大器的结果更加准确和具备实用价值。现在微波电路元器件厂家已经开始提供X参数模型，并成功完成了100W级功率放大管的建模测试，仿真结果和实测结果完全匹配。

5.信号完整性测量

宽带系统的数字电路部分的信号速率，逐步的从3GHz数量级上升到10GHz数量级。这对各个子电路和信号的要求达到了异常苛刻的境地，电路及其信号的测量成为必不可少的研发环节，测试内容也从单纯的信号品质测量扩展到多个电路参数的测量，表11列出了关键的测量内容和需要使用的相应的测试仪器。
这部分的详细介绍请参考以前写的《云计算测量白皮书暨10GHz以上数字系统测量要点和方法》一文。

表11 10GHz数字电路典型测量内容和使用的仪器

6.小结

宽带系统是复杂电子系统发展的重点方向之一，系统带宽从几十M扩展到了几百M，甚至几个G，数字处理和通信部分的信号速率也扩展到10G量级。这对测量仪器和测量方法要求更高，需要宽带信号产生和宽带信号分析的知识和能力，需要宽带器件测量和信号完整性测量的知识和能力。好在仪器和软件技术随着需求的推进也不断创新，完全能够满足技术发展的要求。若要能够用好这些仪器和软件，对工程师的知识和经验的要求是非常高的。

参考文献

[1]李建宇. 射频微波测试技术白皮书[G/DK].北京：安捷伦科技（中国）有限公司.[2012]
[2]孙灯亮. 云计算测量白皮书暨10GHz以上数字系统测量要点和方法. [G/DK].北京：安捷伦科技（中国）有限公司.[2012]
[3]Jinbiao Xu,John Baprawski.“4G For Everyone” Extended RF Performance with Digital Pre-Distortion[G/DK].Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[2010]