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寬帶測量技術(shù)白皮書

作者： 時間：2017-01-04 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
1.復(fù)雜電子系統(tǒng)的發(fā)展及其測量需求



典型的復(fù)雜電子系統(tǒng)主要有：寬帶雷達，捷變頻電臺，電子對抗，寬帶無線通信，衛(wèi)星通信等系統(tǒng)。
射頻微波電路是復(fù)雜電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成發(fā)射和接收信號的功率控制和頻率搬移，對整個電子系統(tǒng)靈敏度，動態(tài)范圍等指標(biāo)有決定性的影響。典型的射頻微波電路包含天線，放大器，濾波器，頻率合成器，傳輸線等有源和無源電路。隨著系統(tǒng)功能和性能要求的提高，電子系統(tǒng)對這些射頻微波電路的要求越來越高，帶寬要求越來越寬，很多系統(tǒng)要求500MHz或1GHz以上的帶寬。
高速數(shù)字電路是復(fù)雜電子系統(tǒng)的另一重要組成部分，主要完成復(fù)雜信號的生成，復(fù)雜信號的處理，大數(shù)據(jù)量和高速信號的傳輸，對整個電子系統(tǒng)工作速度，機動能力，工作可靠性等都有關(guān)鍵性的影響。典型的高速數(shù)字電路包含F(xiàn)PGA和DSP電路，高速接口器件，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，高速電纜/光纖和高速背板等互連電路。隨著系統(tǒng)功能和性能要求的提高，電子系統(tǒng)對這些數(shù)字電路的要求越來越高，信號速率從3Gbps量級正向著10Gbps量級邁進。
對復(fù)雜電子系統(tǒng)的測量涉及最新的儀器技術(shù)和測量方法，總體歸類表1所示。

表1 寬帶電子系統(tǒng)的測量需求和儀器方案


下面展開分別介紹這4個部分。

2.寬帶信號的產(chǎn)生


寬帶儀器產(chǎn)生寬帶信號的框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括：信號產(chǎn)生工具，任意波形發(fā)生器，寬帶矢量信號源。
信號產(chǎn)生工具用來產(chǎn)生復(fù)雜的寬帶信號，把這些信號數(shù)據(jù)下載到任意波形發(fā)生器中。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生基帶IQ信號，通過矢量信號源的外部IQ調(diào)制，最終通過信號源的RF端口輸出。



圖1 寬帶信號產(chǎn)生框圖

寬帶儀器產(chǎn)生寬帶信號的考慮因素參考表2。對于信號產(chǎn)生工具，主要考慮其是否能夠產(chǎn)生足夠復(fù)雜的信號，以滿足測試需求。最好工具具備仿真的能力，可仿真復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)。同時最好支持各種前期經(jīng)過設(shè)計和驗證的庫，比如雷達庫，通信信號庫，導(dǎo)航庫等，這樣可以快速和標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)生各種復(fù)雜信號。SystemVue就是可以滿足這種要求的信號產(chǎn)生工具，具備復(fù)雜系統(tǒng)的仿真設(shè)計能力，技術(shù)專家已經(jīng)設(shè)計好了許多庫，滿足各種信號產(chǎn)生的要求。
對于任意波形發(fā)生器，要求具備足夠的帶寬，足夠的存儲深度，同時具備足夠的硬件性能。任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵器件是DAC，足夠高性能的DAC是確保任意波形發(fā)生器高性能的關(guān)鍵。一般需要12位以上，具備足夠的采樣速率，無寄生動態(tài)范圍大，諧波失真小，噪聲本底小。噪聲本底很關(guān)鍵，因為很多復(fù)雜信號要求儀器噪聲本底小于-140dBm/Hz，使得經(jīng)過校準(zhǔn)或數(shù)字預(yù)失真后，信號波形質(zhì)量能夠滿足測試要求。
對于矢量信號源，首先要求保證帶寬和保證信號質(zhì)量。所以一般不用上變頻處理的手段，因為其難以保證信號質(zhì)量。用上變頻器的手段的問題主要體現(xiàn)在鏡像較大（無法通過校準(zhǔn)處理掉），動態(tài)范圍有限（混頻器的非線性行為導(dǎo)致）。所以，最好使用寬帶調(diào)制器的方式實現(xiàn)寬帶信號產(chǎn)生的目的。另外，還需要考慮矢量信號源的信號載波頻率范圍，信號載波功率調(diào)整范圍等因素。

表2 寬帶信號產(chǎn)生的考慮因素




常用的信號產(chǎn)生工具如表3所示，可選用ADS/SystemVue仿真設(shè)計軟件，Matlab工具軟件，或儀器采集的數(shù)據(jù)。SystemVue是推薦的信號產(chǎn)生工具，它是一個系統(tǒng)級的仿真設(shè)計軟件，可提供各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌稀⒕幋a等仿真設(shè)計能力，可用于各種復(fù)雜系統(tǒng)仿真設(shè)計場合。SystemVue有各種軟件庫，如雷達庫，無線通信庫，導(dǎo)航庫等，可幫助使用者進行快速準(zhǔn)確的仿真設(shè)計。

表3 常用的信號產(chǎn)生工具


寬帶信號產(chǎn)生所用到的關(guān)鍵硬件，即任意波形發(fā)生器和矢量信號源的典型技術(shù)指標(biāo)如表4和表5所示。這兩臺儀器在業(yè)界的同類產(chǎn)品中性能指標(biāo)都是最高的。M8190A可達14位和8GSa/S采樣速率，雙通道輸出，可產(chǎn)生高帶寬高品質(zhì)的IQ信號或其他信號。E8267D的頻率可達44GHz，調(diào)制器帶寬可達2GHz，配合M8190A可產(chǎn)生高品質(zhì)的寬帶信號。

表4 任意波形發(fā)生器典型指標(biāo)


表5 矢量信號源典型指標(biāo)




寬帶信號產(chǎn)生的另一個關(guān)鍵點是：校準(zhǔn)或數(shù)字預(yù)失真。不論是使用寬帶儀器，寬帶器件，或自己設(shè)計的寬帶系統(tǒng)，校準(zhǔn)或數(shù)字預(yù)失真都是一個必須的過程，因為寬帶儀器或器件及系統(tǒng)，只靠硬件性能是無法產(chǎn)生比較完美的寬帶信號。校準(zhǔn)的參數(shù)和處理過程如表6所示。

表6 寬帶信號產(chǎn)生中的校準(zhǔn)內(nèi)容和校準(zhǔn)過程


圖2是頻響校準(zhǔn)的實例，由寬帶儀器產(chǎn)生100個音的多音信號，用頻譜分析儀自動測量每個音的功率，形成校準(zhǔn)表，通過軟件修正后，輸出的頻響是非常平坦的，可滿足各種測量的要求。



圖2 頻響校準(zhǔn)前后狀態(tài)

3.寬帶信號的分析


能進行寬帶信號分析的儀器主要有：
1.寬帶頻譜信號分析儀。如PXA N9030A，頻率可達50GHz（外混頻可到110GHz），分析帶寬可達160MHz（外部數(shù)字化儀可達800MHz）。N9030A還支持實時頻譜分析功能，實時帶寬160MHz，最小捕獲脈寬3.57us。
2.實時示波器。如Infiniium 90000Q，帶寬可達63GHz，采樣率可達160GSa/s，存儲深度可達2GB。使用示波器分析射頻微波信號的原因是彌補頻譜信號分析儀帶寬的不足，分析帶寬高達63GHz。同時用示波器可進行模擬IQ信號的分析，因為示波器的4個通道是相參的，而且使用探頭容易進行在線測量和差分測量。
3.邏輯分析儀。如U4154A，單模塊支持136通道，狀態(tài)速率可達4Gbps，定時速率可達12.5GHz，存儲深度可達200M/通道。支持FPGA動態(tài)探頭，支持矢量信號分析儀軟件。適合分析數(shù)字IQ，數(shù)字IF，F(xiàn)PGA內(nèi)部的信號。



圖3 先進儀器對寬帶信號的測試和分析

儀器最基本的功能是提供被測對象的測試結(jié)果，當(dāng)測試結(jié)果不滿足要求時，先進儀器提供的技術(shù)能力能大大提高故障判斷的效率，為問題的解決提供豐富的技術(shù)途徑。首先現(xiàn)在儀器能對被測電子系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點提供獨立的測試手段，包含數(shù)字信號，基帶信號，中頻和射頻信號等，而且分析的工具能實現(xiàn)統(tǒng)一化，如圖3所示，可以利用邏輯分析儀，實時示波器，頻譜信號分析儀分別對接收機系統(tǒng)的數(shù)字基帶，模擬基帶和射頻信號進行測試，這些儀器采集的信號波形數(shù)據(jù)都能通過矢量分析軟件來進行分析，分析功能包含頻譜，時域和解調(diào)分析等。這樣在統(tǒng)一的分析環(huán)境下對數(shù)字信號，基帶信號和射頻信號的測試結(jié)果進行對比，能大大提高問題定位的效率。89601B矢量分析軟件為核心的矢量信號分析系統(tǒng)，可以支持全系列的邏輯分析儀，實時示波器和頻譜信號分析儀。
寬帶系統(tǒng)的主要寬帶測量和分析的參數(shù)如表7所示。

表7 寬帶系統(tǒng)主要寬帶測量參數(shù)和使用儀器



下圖4列舉了幾個典型的測試。圖中1是帶寬達2GHz的雷達信號的Chirp特征分析；圖中2是寬帶信號的頻譜測試；圖中3是接收機噪聲系統(tǒng)測試設(shè)置圖。
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