終端綜測(cè)儀自動(dòng)校準(zhǔn)研究與實(shí)現(xiàn)

作者簡(jiǎn)介：楊政（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信測(cè)試儀表的研究與開發(fā)。E-mail：hello_401@sohu.com。

0   引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，終端測(cè)試設(shè)備作為通信測(cè)試領(lǐng)域的重要儀表越來越受到業(yè)界的關(guān)注。終端的質(zhì)量和性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展有著舉足輕重的影響，終端測(cè)試儀表及測(cè)試平臺(tái)的發(fā)展是移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，不僅可以為面向商用終端基帶芯片等提供專業(yè)測(cè)試驗(yàn)證儀表，而且可以通過對(duì)終端芯片研發(fā)的支持，帶動(dòng)通信測(cè)試領(lǐng)域的全面發(fā)展^[1]。終端綜測(cè)儀作為通信測(cè)試王牌儀器，是業(yè)內(nèi)所有儀表廠家發(fā)展的核心和重點(diǎn)，也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的焦點(diǎn)。由于多種制式、大帶寬、多頻點(diǎn)、多種調(diào)制技術(shù)等特點(diǎn)，使得終端綜測(cè)儀的功率校準(zhǔn)成為了一個(gè)難題。儀表在正式交付時(shí)都要經(jīng)過精密儀器測(cè)試，功率等各相關(guān)儀表指標(biāo)都能滿足儀表指標(biāo)要求。但是經(jīng)過一段時(shí)間以后，儀表的各項(xiàng)指標(biāo)由于環(huán)境變化、溫度不同等因素的影響，功率等指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。儀表就需要重新校準(zhǔn)，儀表廠商現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)成本較高。因綜測(cè)儀自身帶有的信號(hào)源和接收機(jī)的特點(diǎn)，利用信號(hào)發(fā)射與信號(hào)分析并行反饋校準(zhǔn)技術(shù)，通過具體實(shí)踐充分證明了該方法的正確性和有效性^[2]。

1   終端綜測(cè)儀硬件平臺(tái)及總體方案

綜測(cè)儀硬件平臺(tái)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)過鎖相的高穩(wěn)參考信號(hào)；基帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元，依據(jù)設(shè)置的不同通信制式輸出不同的兩路IQ 數(shù)據(jù)；上變頻器單元的功能是把FPGA 產(chǎn)生的基帶信號(hào)經(jīng)DAC、正交調(diào)制等處理后產(chǎn)生中頻信號(hào)。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(hào)；射頻混頻單元，利用混頻技術(shù)把中頻信號(hào)混到射頻，利用攜帶通信信息的射頻信號(hào)進(jìn)行傳輸；開閉環(huán)轉(zhuǎn)換單元用于調(diào)制器開環(huán)和閉環(huán)的切換，同時(shí)還可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)調(diào)整為模擬信號(hào)來控制調(diào)制器。調(diào)制器單元是一個(gè)利用數(shù)字電路控制可調(diào)諧的衰減器，通過設(shè)置不同數(shù)據(jù)來調(diào)整調(diào)制器的不同衰減量；多級(jí)放大單元對(duì)通路中的射頻信號(hào)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(hào)功率分配分成兩路，一路進(jìn)行傳輸，一路反饋給調(diào)制器。檢波采樣單元用于把反饋回來的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。時(shí)分同步運(yùn)算單元用于對(duì)反饋回?cái)?shù)字信號(hào)求和運(yùn)算、平均等數(shù)據(jù)處理，采用負(fù)反饋來控制調(diào)制器。功率調(diào)整單元可以控制發(fā)射信號(hào)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(hào)和接收信號(hào)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(diào)整輸入的大功率信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)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(hào)的調(diào)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(duì)大信號(hào)衰減，小信號(hào)放大，根據(jù)后端電路處理要求擴(kuò)大儀表的測(cè)試信號(hào)范圍。寬帶本振單元輸出（0.4~6）GHz 本振信號(hào)?；祛l單元將高頻射頻信號(hào)降頻，匹配濾波單元，濾除混頻中無用的信號(hào)，留下有效信號(hào)。下變頻器單元的功能是將中頻經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，將數(shù)據(jù)流分成兩路，得到IQ 兩路基帶信號(hào)。接收參考時(shí)鐘單元通過固定分頻鎖相環(huán)輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)用于內(nèi)部信號(hào)抽取采樣。數(shù)據(jù)分析單元是對(duì)接收到的IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)分析^[3]。

2   發(fā)射數(shù)字穩(wěn)幅具體實(shí)現(xiàn)

綜測(cè)儀發(fā)射單元功率控制主要是通過衰減器和調(diào)制器協(xié)同工作完成。衰減器進(jìn)行大范圍控制，調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的精確控制，因此調(diào)制器校準(zhǔn)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，通過對(duì)衰減器的不同設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)0 衰減量或120 dBm 衰減量每10 dB 一檔的動(dòng)態(tài)控制，當(dāng)達(dá)到最大衰減時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最小功率。調(diào)制器的控制范圍超過25 dB，保證了與衰減器的配合可以在大范圍中實(shí)現(xiàn)精確控制。為確保發(fā)射單元的功率準(zhǔn)確度，采用了數(shù)字穩(wěn)幅技術(shù)，以TD-LTE 信號(hào)為例，發(fā)射的信號(hào)采用多子幀通信，且每個(gè)子幀內(nèi)又存在多個(gè)時(shí)隙^[4]，具體1 個(gè)幀周期內(nèi)的時(shí)隙分布圖見圖2。在通信時(shí)，并不是每個(gè)時(shí)隙內(nèi)都一定有信號(hào)，這就要求時(shí)隙內(nèi)沒有通信信號(hào)時(shí)，穩(wěn)幅環(huán)路不工作，保持一個(gè)固定狀態(tài)。而傳統(tǒng)ALC 穩(wěn)幅環(huán)路由于采用有效值檢波，并通過采用負(fù)反饋環(huán)路控制調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定輸出，很難完成這種脈沖內(nèi)檢波、脈沖外保持的穩(wěn)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，就開始讀取A/D 采集的數(shù)據(jù)，并求和處理，由于導(dǎo)頻時(shí)隙的寬度是固定的，可以根據(jù)高速時(shí)鐘A/D 的采集速率和導(dǎo)頻時(shí)隙的寬度來調(diào)整計(jì)數(shù)器的終止數(shù)據(jù)。經(jīng)過功率調(diào)整的調(diào)制信號(hào)一路作為信號(hào)發(fā)射到端口，另一路通過反饋數(shù)據(jù)處理來控制調(diào)制器的輸出功率。觸發(fā)信號(hào)以TD-LTE 幀周期的同步信號(hào)上升沿來判斷，按照通信制式不同選擇不同的保護(hù)時(shí)隙，如果有上升沿，則開始采樣時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)，并累加A/D 采集的數(shù)據(jù)，等累加到導(dǎo)頻時(shí)隙的寬度時(shí)，就停止累加，并計(jì)算出A/D 累加的平均值，然后與參考數(shù)據(jù)比較，根據(jù)數(shù)據(jù)比較的結(jié)構(gòu)，修正輸出到DAC 的數(shù)據(jù)。經(jīng)過幾個(gè)幀的修正后，實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定。具體采集數(shù)據(jù)如圖3 所示。這是一個(gè)逐步穩(wěn)定的過程，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(hù)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(xiàn)連續(xù)波的穩(wěn)幅，數(shù)字穩(wěn)幅具體流程見圖4。

圖3 采集數(shù)據(jù)

圖4 數(shù)字穩(wěn)幅流程

3   衰減器與頻響校準(zhǔn)流程

通過數(shù)字穩(wěn)幅技術(shù)達(dá)到發(fā)射單元的功率準(zhǔn)確度，另衰減器和調(diào)制器在每個(gè)頻率點(diǎn)上輸出功率是不一樣的，如何補(bǔ)償由于頻率變化帶來的影響，是校準(zhǔn)另一個(gè)需要解決的問題^[5]。采用數(shù)字基帶產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過數(shù)字上混頻依照調(diào)制格式產(chǎn)生不同的通信信號(hào)，如TDLTE信號(hào)等^[6]，發(fā)射信號(hào)的功率是假設(shè)是P_TX：

PTX = PIF+ AT + ΔAT + M （1）

其中，PIF 是基帶經(jīng)過上混頻輸出的功率，大約為-3.3 dBm，中頻頻增益設(shè)置為0；AT 指的程控衰減器的衰減量，最大衰減量為120 dBm，通過對(duì)衰減器的不同設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)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(diào)制器的衰減值，步進(jìn)為0.05 dB，可控范圍為20 dB。ΔAT 和M 為出廠前的校準(zhǔn)值以某一臺(tái)機(jī)器的數(shù)據(jù)為例：ΔAT 是各檔衰減量與實(shí)測(cè)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(cè)各檔衰減量與實(shí)測(cè)誤差值對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖5 所示。X 軸的數(shù)字1 代表10 dB 衰減，依次為12 代表120 dB 衰減。M是調(diào)制器衰減量，是一個(gè)可預(yù)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(dá)6 dBm，最小可衰減24.5 dB；調(diào)制器HMC346C8 的壓控曲線如圖6 所示。

實(shí)際作為衰減器使用時(shí)，盡量選擇線性度好的區(qū)域，即選擇（3~-17)dBm。還是以發(fā)射出來TD-LTE 信號(hào)為例，時(shí)隙在TS1，頻點(diǎn)為10 087，功率-20 dBm，通過MIMO 接口單元接入接收機(jī)，接收到的信號(hào)經(jīng)過降頻處理后下變頻器成基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行功率分析處理。設(shè)置接收前端可控衰減量為0 dB 時(shí)，與獲得的實(shí)際測(cè)量差值定義為ΔAT0，依次衰減量為10 dBm 時(shí)，實(shí)測(cè)差值為ΔAT10，以此類推，分別獲取每檔衰減器與實(shí)際測(cè)量差值存入內(nèi)部存儲(chǔ)單元中[3]。獲得的數(shù)據(jù)用來修正接收衰減器數(shù)據(jù)，接收單元衰減器的具體流程圖見圖7。

通過設(shè)置綜測(cè)儀通信制式為TD-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(hào)時(shí)隙單元選擇為TS1，綜測(cè)儀作為信號(hào)源發(fā)射信號(hào)經(jīng)過儀器內(nèi)置的功分器轉(zhuǎn)換到接收機(jī)中，通過頻譜分析功率測(cè)試等把測(cè)試到的差值存到內(nèi)部存儲(chǔ)器中, 與綜測(cè)儀的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后修改信號(hào)源的頻響，信號(hào)源頻率10 MHz 步進(jìn)點(diǎn)靠直接補(bǔ)償數(shù)據(jù)，10 MHz 步進(jìn)中間各頻率點(diǎn)靠擬合曲線或插值補(bǔ)償?shù)男问剑平鎸?shí)數(shù)據(jù)值, 提高綜測(cè)儀的功率準(zhǔn)確度指標(biāo)，綜測(cè)儀頻率響應(yīng)校準(zhǔn)的軟件流程參見圖8^[7]。

圖7 接收單元衰減器的流程

圖8 綜測(cè)儀頻率響應(yīng)校準(zhǔn)的軟件流程

4   測(cè)試結(jié)果

通過指定通信制式信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過校準(zhǔn)后的綜測(cè)儀實(shí)測(cè)功率值與安立MS2692A 進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。信號(hào)源功率設(shè)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(cè)試結(jié)果。

從表1 中可以看出，終端儀實(shí)測(cè)值與MS2692A 實(shí)際測(cè)量結(jié)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(cè)儀經(jīng)過校準(zhǔn)后的功率測(cè)試較準(zhǔn)確，充分說明校準(zhǔn)的有效性。

5   結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了當(dāng)前終端綜測(cè)儀研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，終端測(cè)試領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展空間。結(jié)合我單位研發(fā)的終端綜測(cè)儀，深入理解了綜測(cè)儀整機(jī)方案和射頻通道模塊的校準(zhǔn)原理。分別對(duì)調(diào)制器功率校準(zhǔn)以及衰減器校準(zhǔn)進(jìn)行了深入的分析，通過實(shí)際校準(zhǔn)驗(yàn)證了整個(gè)流程的正確性和有效性。但是，在實(shí)際的校準(zhǔn)過程中還有許多不確定的因素影響校準(zhǔn)結(jié)果。后續(xù)還需要更加深入的研究，并充分地理解硬件設(shè)計(jì)思想和探索硬件實(shí)際運(yùn)行特性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）