終端綜測儀自動(dòng)校準研究與實(shí)現

作者簡(jiǎn)介：楊政（1977—），男，高級工程師，主要研究方向為移動(dòng)通信測試儀表的研究與開(kāi)發(fā)。E-mail：hello_401@sohu.com。

0   引言

隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，終端測試設備作為通信測試領(lǐng)域的重要儀表越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注。終端的質(zhì)量和性能優(yōu)劣對整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展有著(zhù)舉足輕重的影響，終端測試儀表及測試平臺的發(fā)展是移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節，不僅可以為面向商用終端基帶芯片等提供專(zhuān)業(yè)測試驗證儀表，而且可以通過(guò)對終端芯片研發(fā)的支持，帶動(dòng)通信測試領(lǐng)域的全面發(fā)展^[1]。終端綜測儀作為通信測試王牌儀器，是業(yè)內所有儀表廠(chǎng)家發(fā)展的核心和重點(diǎn)，也是市場(chǎng)競爭最為激烈的焦點(diǎn)。由于多種制式、大帶寬、多頻點(diǎn)、多種調制技術(shù)等特點(diǎn)，使得終端綜測儀的功率校準成為了一個(gè)難題。儀表在正式交付時(shí)都要經(jīng)過(guò)精密儀器測試，功率等各相關(guān)儀表指標都能滿(mǎn)足儀表指標要求。但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，儀表的各項指標由于環(huán)境變化、溫度不同等因素的影響，功率等指標達不到設計的要求。儀表就需要重新校準，儀表廠(chǎng)商現場(chǎng)校準成本較高。因綜測儀自身帶有的信號源和接收機的特點(diǎn)，利用信號發(fā)射與信號分析并行反饋校準技術(shù)，通過(guò)具體實(shí)踐充分證明了該方法的正確性和有效性^[2]。

1   終端綜測儀硬件平臺及總體方案

綜測儀硬件平臺原理框圖如圖1 所示，主要由以下幾個(gè)部分組成：發(fā)射參考時(shí)鐘輸出經(jīng)過(guò)鎖相的高穩參考信號；基帶數據產(chǎn)生單元，依據設置的不同通信制式輸出不同的兩路IQ 數據；上變頻器單元的功能是把FPGA 產(chǎn)生的基帶信號經(jīng)DAC、正交調制等處理后產(chǎn)生中頻信號。寬帶本振單元利用DDS 鎖相技術(shù)環(huán)路輸出（0.4~6）GHz 本振信號；射頻混頻單元，利用混頻技術(shù)把中頻信號混到射頻，利用攜帶通信信息的射頻信號進(jìn)行傳輸；開(kāi)閉環(huán)轉換單元用于調制器開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的切換，同時(shí)還可以通過(guò)模數轉換器把數據調整為模擬信號來(lái)控制調制器。調制器單元是一個(gè)利用數字電路控制可調諧的衰減器，通過(guò)設置不同數據來(lái)調整調制器的不同衰減量；多級放大單元對通路中的射頻信號進(jìn)行放大，提高儀表的最大輸出功率。功分器單元將射頻信號功率分配分成兩路，一路進(jìn)行傳輸，一路反饋給調制器。檢波采樣單元用于把反饋回來(lái)的射頻信號轉換成數字信號。時(shí)分同步運算單元用于對反饋回數字信號求和運算、平均等數據處理，采用負反饋來(lái)控制調制器。功率調整單元可以控制發(fā)射信號的功率輸出，進(jìn)行最大120 dB衰減或0 衰減量。MIMO 接口單元主要起合路器的作用，將發(fā)射信號和接收信號合路，合路后的端口可分時(shí)輸入或輸出。

接收功率衰減單元主要調整輸入的大功率信號，對輸入信號進(jìn)行最大50 dB 衰減或0 衰減量。前置增益控制單元用于輸入小功率信號的調整放大，接收衰減單元和前置增益控制單元的主要功能是對大信號衰減，小信號放大，根據后端電路處理要求擴大儀表的測試信號范圍。寬帶本振單元輸出（0.4~6）GHz 本振信號?；祛l單元將高頻射頻信號降頻，匹配濾波單元，濾除混頻中無(wú)用的信號，留下有效信號。下變頻器單元的功能是將中頻經(jīng)過(guò)模數轉換實(shí)現數據采樣，將數據流分成兩路，得到IQ 兩路基帶信號。接收參考時(shí)鐘單元通過(guò)固定分頻鎖相環(huán)輸出的參考時(shí)鐘信號用于內部信號抽取采樣。數據分析單元是對接收到的IQ 數據進(jìn)行解調分析^[3]。

2   發(fā)射數字穩幅具體實(shí)現

綜測儀發(fā)射單元功率控制主要是通過(guò)衰減器和調制器協(xié)同工作完成。衰減器進(jìn)行大范圍控制，調制器實(shí)現對功率的精確控制，因此調制器校準精度直接影響到輸出功率精確度。衰減器最大衰減量為120 dBm，通過(guò)對衰減器的不同設置，可以實(shí)現對輸出信號0 衰減量或120 dBm 衰減量每10 dB 一檔的動(dòng)態(tài)控制，當達到最大衰減時(shí)，可以實(shí)現最小功率。調制器的控制范圍超過(guò)25 dB，保證了與衰減器的配合可以在大范圍中實(shí)現精確控制。為確保發(fā)射單元的功率準確度，采用了數字穩幅技術(shù)，以TD-LTE 信號為例，發(fā)射的信號采用多子幀通信，且每個(gè)子幀內又存在多個(gè)時(shí)隙^[4]，具體1 個(gè)幀周期內的時(shí)隙分布圖見(jiàn)圖2。在通信時(shí)，并不是每個(gè)時(shí)隙內都一定有信號，這就要求時(shí)隙內沒(méi)有通信信號時(shí)，穩幅環(huán)路不工作，保持一個(gè)固定狀態(tài)。而傳統ALC 穩幅環(huán)路由于采用有效值檢波，并通過(guò)采用負反饋環(huán)路控制調制器，實(shí)現信號的穩定輸出，很難完成這種脈沖內檢波、脈沖外保持的穩幅要求。因TD-LTE 通信中每個(gè)子幀周期是固定的，在判斷到有上升沿后，就開(kāi)始讀取A/D 采集的數據，并求和處理，由于導頻時(shí)隙的寬度是固定的，可以根據高速時(shí)鐘A/D 的采集速率和導頻時(shí)隙的寬度來(lái)調整計數器的終止數據。經(jīng)過(guò)功率調整的調制信號一路作為信號發(fā)射到端口，另一路通過(guò)反饋數據處理來(lái)控制調制器的輸出功率。觸發(fā)信號以TD-LTE 幀周期的同步信號上升沿來(lái)判斷，按照通信制式不同選擇不同的保護時(shí)隙，如果有上升沿，則開(kāi)始采樣時(shí)隙內數據，并累加A/D 采集的數據，等累加到導頻時(shí)隙的寬度時(shí)，就停止累加，并計算出A/D 累加的平均值，然后與參考數據比較，根據數據比較的結構，修正輸出到DAC 的數據。經(jīng)過(guò)幾個(gè)幀的修正后，實(shí)現功率穩定。具體采集數據如圖3 所示。這是一個(gè)逐步穩定的過(guò)程，延遲的時(shí)間包括時(shí)隙在幀周期所處的位置、一定的保護時(shí)隙、通道延遲時(shí)間^[3]，只要去掉幀同步判斷就可實(shí)現連續波的穩幅，數字穩幅具體流程見(jiàn)圖4。

圖3 采集數據

圖4 數字穩幅流程

3   衰減器與頻響校準流程

通過(guò)數字穩幅技術(shù)達到發(fā)射單元的功率準確度，另衰減器和調制器在每個(gè)頻率點(diǎn)上輸出功率是不一樣的，如何補償由于頻率變化帶來(lái)的影響，是校準另一個(gè)需要解決的問(wèn)題^[5]。采用數字基帶產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生的數據通過(guò)數字上混頻依照調制格式產(chǎn)生不同的通信信號，如TDLTE信號等^[6]，發(fā)射信號的功率是假設是P_TX：

PTX = PIF+ AT + ΔAT + M （1）

其中，PIF 是基帶經(jīng)過(guò)上混頻輸出的功率，大約為-3.3 dBm，中頻頻增益設置為0；AT 指的程控衰減器的衰減量，最大衰減量為120 dBm，通過(guò)對衰減器的不同設置，可以實(shí)現對輸出信號0 衰減量或120 dBm 衰減量每10 dB 一檔的動(dòng)態(tài)控制；ΔAT 為程控衰減器衰減實(shí)際值與理論值的差值；M 為調制器的衰減值，步進(jìn)為0.05 dB，可控范圍為20 dB。ΔAT 和M 為出廠(chǎng)前的校準值以某一臺機器的數據為例：ΔAT 是各檔衰減量與實(shí)測誤差值：10 dB 誤差值為-1.266 dBm，依次20 dB 為-1.449 dBm，30 dB 為-0.859 dBm，40 dB 為-1.698 dBm，50 dB 為-1.693 dBm，60 dB 為-0.895 dBm，70 dB 為-1.739 dBm，80 dB 為-1.828 dBm，90 dB 為-1.798 dBm，100 dB 為-2.449 dBm，110 dB 為-1.568 dBm，120 dB 為-1.112 dBm。實(shí)測各檔衰減量與實(shí)測誤差值對應關(guān)系曲線(xiàn)如圖5 所示。X 軸的數字1 代表10 dB 衰減，依次為12 代表120 dB 衰減。M是調制器衰減量，是一個(gè)可預置的集成電路，整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍為（6~-24.5）dBm，最大增益達6 dBm，最小可衰減24.5 dB；調制器HMC346C8 的壓控曲線(xiàn)如圖6 所示。

實(shí)際作為衰減器使用時(shí)，盡量選擇線(xiàn)性度好的區域，即選擇（3~-17)dBm。還是以發(fā)射出來(lái)TD-LTE 信號為例，時(shí)隙在TS1，頻點(diǎn)為10 087，功率-20 dBm，通過(guò)MIMO 接口單元接入接收機，接收到的信號經(jīng)過(guò)降頻處理后下變頻器成基帶數據進(jìn)行功率分析處理。設置接收前端可控衰減量為0 dB 時(shí)，與獲得的實(shí)際測量差值定義為ΔAT0，依次衰減量為10 dBm 時(shí)，實(shí)測差值為ΔAT10，以此類(lèi)推，分別獲取每檔衰減器與實(shí)際測量差值存入內部存儲單元中[3]。獲得的數據用來(lái)修正接收衰減器數據，接收單元衰減器的具體流程圖見(jiàn)圖7。

通過(guò)設置綜測儀通信制式為T(mén)D-LTE，發(fā)射功率為-20 dBm，頻率步進(jìn)10 MHz，掃描起始點(diǎn)為0.4 GHz，掃描終止點(diǎn)為6 GHz，發(fā)射信號時(shí)隙單元選擇為T(mén)S1，綜測儀作為信號源發(fā)射信號經(jīng)過(guò)儀器內置的功分器轉換到接收機中，通過(guò)頻譜分析功率測試等把測試到的差值存到內部存儲器中, 與綜測儀的原始數據進(jìn)行比較后修改信號源的頻響，信號源頻率10 MHz 步進(jìn)點(diǎn)靠直接補償數據，10 MHz 步進(jìn)中間各頻率點(diǎn)靠擬合曲線(xiàn)或插值補償的形式，逼近真實(shí)數據值, 提高綜測儀的功率準確度指標，綜測儀頻率響應校準的軟件流程參見(jiàn)圖8^[7]。

圖7 接收單元衰減器的流程

圖8 綜測儀頻率響應校準的軟件流程

4   測試結果

通過(guò)指定通信制式信號源發(fā)射信號，經(jīng)過(guò)校準后的綜測儀實(shí)測功率值與安立MS2692A 進(jìn)行對比測試。信號源功率設置為-20.0 dBm，頻率為（0.4~6）GHz。表1 選取了部分頻率點(diǎn)記錄了測試結果。

從表1 中可以看出，終端儀實(shí)測值與MS2692A 實(shí)際測量結果非常接近，誤差僅在0.2 dBm 以下，這是由于儀器自身差別和環(huán)境溫度造成的，綜上，綜測儀經(jīng)過(guò)校準后的功率測試較準確，充分說(shuō)明校準的有效性。

5   結束語(yǔ)

本文首先分析了當前終端綜測儀研究的國內外現狀，終端測試領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展空間。結合我單位研發(fā)的終端綜測儀，深入理解了綜測儀整機方案和射頻通道模塊的校準原理。分別對調制器功率校準以及衰減器校準進(jìn)行了深入的分析，通過(guò)實(shí)際校準驗證了整個(gè)流程的正確性和有效性。但是，在實(shí)際的校準過(guò)程中還有許多不確定的因素影響校準結果。后續還需要更加深入的研究，并充分地理解硬件設計思想和探索硬件實(shí)際運行特性。

參考文獻：

[1] 周新國.寬帶無(wú)線(xiàn)通信綜合測試儀自動(dòng)校準系統的設計與實(shí)現[J].儀器儀表用戶(hù),2017(5):29-31.

[2] 方璽.電子儀器自動(dòng)校準與檢測軟件系統設計與實(shí)現分析[J].化工設計通訊,2018(12):251-255.

[3] 楊政.一種多模多頻多通道系統的功率自校準裝置及方法[P].中國:ZL 2014 1 0571753.8,2014.

[4] 王凱.數字通信調制參數自動(dòng)校準的研究[J].電視技術(shù),2013,37(9).

[5] 欒鵬.頻譜分析儀自動(dòng)校準技術(shù)研究[J].信息化技術(shù)與控制,2002(1):161-162.

[6] 付興.TD-SCDMA終端綜合測試儀物理層的軟硬件設計[J].儀器儀表學(xué)報,2007(4):340-342.

[7] 卞劍.頻譜分析儀自動(dòng)校準中的問(wèn)題及解決方式[J].計測技術(shù),2016(1):57-60.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）