应对微波测试的信号合成技术和应用解决方案

应对微波测试的信号合成技术和应用解决方案

       在无线应用中，通过采用大带宽信号来获得系统增益是重要的技术方法，例如：通信中的跳频技术，脉冲压缩雷达中的宽带调频，以及扩频技术等。当前实用的无线电子系统应用中，信号带宽已经达到了2GHz，工作频率范围已扩展到毫米波频段。其中，典型的超宽带无线应用有军用雷达、无线通信802.11ad、E-band以及WirelessHD等。

       增加系统带宽对于雷达而言，意味着高目标分辨率；而对于通信而言，意味着高数据传输速率。众所周知，根据香农信道容量理论，提高信道传输速率有两种方式，即：增加带宽或者提高信噪比。增加带宽对于提高传输速率而言更为直接，它所需要付出的代价会小很多，因此，系统带宽会不断扩大。

测量中存在的挑战

       频率范围扩展和大信号带宽对测试技术和仪表提出了新的要求和挑战。测试中难点主要包括：频率范围高，信号带宽宽，信号调制质量要求高等。以WirelessHD系统为例，该系统以近距离高速数字视频信号传输为应用目的，最高传输速率可以达到28Gbps。系统工作频率在60GHz频段，并使用OFDM调制方式。wirelessHD系统的重要系统参数如表1所示。

       在毫米波频段完成复杂调制信号是对信号源仪表的巨大挑战。WirelessHD使用的频带在57.24 GHz~64.8GHz，处在毫米波段。而且信号为复杂的OFDM调制信号，需要使用矢量信号源来建立复杂数字调制信号，对于毫米波频段矢量信号的建立，还需要使用专用的毫米波频率扩展装置来实现。

       WirelessHD每通道的带宽需要达到1.76GHz，对应的基带IQ信号带宽需要达到900MHz。在宽带信号建立时，需要信号源的基带信号发生器和微波矢量调制器的带宽都能满足大带宽信号的要求。

       为实现超高速率数字传输应用要求，系统采用了OFDM调制方式，由此对信号源的性能指标提出非常严格的要求，包含：微波信号的相位噪声，基带高速时钟的相位噪声，IQ信号幅度平衡度，以及相位正交度。而且IQ通道的延迟系统误差还会转化为寄生的高斯噪声，影响调制信号的质量。

微波宽带测试应用解决方案

       当前测试仪表技术发展已经能为微波宽带测试应用提供完整的解决方案。图1所示为安捷伦(Agilent)公司提供的微波宽带测试系统，主要包含：微波矢量网络分析仪N5247A，微波信号源E8267D，微波信号分析仪PXA，任意波形发生器M8190A和宽带示波器DSA-X93204A等。这些设备能够满足从器件到系统级的测试应用要求，可以完成对微波器件、基带、发射机、接收机完整参数的测试。在测试应用中，能够在基带IQ接口、微波等关键接口上完成测试，为微波宽带应用提供了完整的测试分析手段。

       在微波宽带的发射机接收机测试应用中，测试仪表的具体组成配置如图2所示。其中，上半部分为信号建立部分，它包含了M8190A宽带任意波发生器，E8267D微波矢量信号源，N5152A毫米波扩频装置，和信号建立软件工具81199A。这些仪表能根据WirelessHD/WiGi等标准的要求来建立标准信号。输出的信号形式包含波形文件，基带模拟IQ信号和微波调制信号。该部分在发射设备测试中，能够提供标准基带IQ信号，于用户开发的调制器和微波电路进行连接测试；在接收机通道测试中，能够提供微波激励信号和基带信号，而分别进行全接收机系统和基带处理器的测试验证。它具备很强的使用灵活性和扩展能力。图2下半部分为信号分析仪表，主要的测试仪表包含：N1999A毫米波变频器，DSA-X93204A宽带示波器，PXA微波信号分析仪及81199A信号分析软件。该部分能够提供信号的频谱、杂散、功率时间关系和调制精度等参数，能够完整地测试基带收发通道中的基带IQ信号和微波毫米波信号。

       在微波宽带信号的实现过程中，需要综合使用信号建立软件，基带信号源，微波宽带矢量信号源及毫米波扩展器等仪表。建立的过程包含波形计算，基带建立，矢量调制和微波变频等步骤。

       波形的计算过程用于产生基带的电压波形。仪表支持用户计算数据的输入，波形计算建立的软件工具主要有Matlab和Systemvue等EDA工具。针对WirelessHD等协议的复杂调制波形可以由软件81199A产生，此软件用于产生微波超宽带调制信号，包括WirelessHD和WiGig等。它可以根据用户的设定改变信号参数，如调制方式、数据长度等信息。

       基带建立过程把计算的电压波形用硬件实现，需要用到的仪器是任意波形发生器Agilent M8190A，其模拟输出信号带宽可以达到5GHz。由于采用14位高性能DAC技术，信号的频谱性能和调制精度能够保证宽带调制信号的性能指标。

       矢量调制过程是把任意波发生器产生的基带信号调制到微波频率上，需要用到的仪器是Agilent E8267D宽带微波矢量信号源。E8267D信号的调制带宽可达2GHz，能够满足微波宽带调制信号的建立要求。

       毫米波扩频装置将微波调制信号搬移到所需的毫米波频段，可以采用专用的毫米波上变频器或毫米波信号源。Agilent E8257D毫米波信号源的最高频率可达67GHz，并且还可以配置内置的混频器选件，该设备完全满足测试的需求。

       在微波宽带信号的建立上，信号建立的关键技术有以下几个方面：

       宽带任意波形发生器的宽带DAC技术：Agilent M8190A是一款基于AXIe总线标准的高性能任意波形发生器。该仪表的核心是宽带DAC电路技术。该电路为Agilent独立自主开发，通过采用磷化铟先进半导体技术，实现了大宽带和高精度性能的突破。M8190A可配置为两种工作模式：模式1为输出采样率12G，转换位数12位；模式2为采样率8G，转换位数14位。基于此技术，M8190A宽带任意波发生器输出信号的相位噪声，载波抑制，谐波抑制等性能得到很大提高，谐波仪表性能可达到-72dBc，从而保证了在宽带OFDM调制信号建立时信号的调制质量。图3为M8190A产生多音信号的杂波抑制性能，多载波信号带宽为3GHz，杂散的抑制性能达59dB。

       E8267D微波信号源的宽带矢量调制技术：Agilent E8267D微波信号源的矢量IQ调制带宽可以达到2GHz，并能够保持很好宽带调制精度。另外，该仪表领先的相位噪声性能也是微波宽带信号实现的重要保证。图4所示为E8267D信号的宽带矢量调制的频响特性，在2GHz的频带范围内，幅频响应的波动小于4dB。图5所示为E8267D输出信号在各频段的相位噪声指标。当输出频率为20GHz时，在偏移1kHz处，相位噪声指标为-110dBc/Hz。

       宽带信号的校准技术：信号源仪表可实现2G的调制带宽。在如此宽的频带内，会存在仪表硬件、外连电缆的系统误差，包含：宽频带范围内的频响误差和IQ误差等。这些误差会恶化信号的调制质量和频谱性能。矢量建立软件中包含了信号系统误差的校准和补偿技术，从而保证了信号的频谱性能和调制精度指标。

       利用Agilent DSA-X93204A宽带示波器和分析软件，可以提供WirelessHD信号完整的信号参数，并能对信号故障原因进行判断。图6是在实测应用中，正常信号(a)和失真信号(b)的测试结果。通过频谱测试和星座图及汇总数据可发现，失真信号的问题来源主要是电路中相位噪声的恶化。

本文小结

       本文以超宽带信号的合成为技术背景，以WirelessHD的信号合成为例，介绍了在测试测量中存在的高频率、大带宽和高精度要求等挑战，并介绍了安捷伦公司所提供的全面的测试测量方案以及关键技术。