图1. 转发器框图
对于测试而言,传统上一个收发系统的射频模拟部分和数字基带部分都是分开进行的。
发射端的混频器、滤波器和功放,以及接收端的低噪放、混频器滤波器等模拟器件的特性可以通过矢量网络分析仪进行测量;
数字基带部分可以通过示波器、逻辑分析仪等仪表完成测量;
系统的整体收发性能则可以通过信号源以及信号分析仪等设备完成标定。
因此,过去的测试方法和设备有很大的不同。射频归射频,数字归数字。然而,随着系统小型化和功能集成的进一步要求,许多传统的分立射频组件已经成为小芯片,甚至与 数字ADC和DAC 集成到一个片上系统中。这对于测试来说无疑是一个巨大的变化。
以下图中的卫星通信系统链路为例。射频和数字的高度集成不仅发生在地面站和地面终端侧,也在卫星负载侧悄然发生变化,传统上由模拟转发器主导。随着5G NTN等新技术为卫星通信提供更大的应用场景,数字再生技术已成为一个热门话题,这进一步强化了卫星应用对数字T/R的需求。
在雷达相控阵领域,数字T/R的概念起源较早,应用更为广泛。数字相控阵具有集成度高、光束控制灵活、同时具有多束的优点。它的基石是大量高度集成的数字T/R组件。无论是通信收发器组件还是雷达收发器组件,其基本测试要求都是相互关联的。
对于结合了低噪声、变频器和ADC的接收模块而言,工程师不能使用熟悉的矢量网络分析仪来测量其噪声系数、增益、群时延和其他参数; 对一个集合了DAC、变频器和功放的发射模块而言,工程师也不能直接使用RF仪器直接测量其增益、压缩等特性。然而,即使对于数字T/R,这些参数指标也与模拟T/R具有相同的重要性,因此有必要引入数字测试方案。
数字发射机模块集成了DAC和RF模块,它们通常由数字激发并由射频输出。因此,从测试的角度来看,有必要在硬件上为要测试的零件提供标准的数字接口,并在软件中提供和传输它们,射频测试通信的测量算法。
Keysight拥有横跨射频到数字域的完整产品线,可以为上述测试需求提供完整解决方案。
针对数字发射模块的测试,可以采用信号产生软件+数字接口卡+射频信号分析仪的方式进行,系统中包含:
自定义信号产生软件:负责测试所需的激励信号。
数字接口板卡:负责将软件产生的激励信号波形文件转化为物理上的数字信号与待测数字发射模块的数字输入端相连。
信号分析仪:负责对数字发射模块的射频输出信号进行频谱、功率以及调制分析。
信号分析软件:测量算法实现。
该系统能够支持的测试项包括:
通信和卫星应用领域宽带数字调制下的EVM测试; 宽带群时延测试; 宽带振幅频率和相位频率响应; 相邻信道泄漏ACP; 噪声功率比 (NPR); 射频输出杂散等; 雷达脉冲场脉冲幅值、频率和时域分析;通道间的相位特性分析等。。
图4. 数字发射模块测试
数字接收模块一般包括射频前端和ADC部分。与传统的射频到射频测试方法相比,主要区别在于如何获得ADC的数字输出信号并进行相应的测量和计算。此外,得益于Keysight完整的产品系统,我们可以使用射频信号源 + 逻辑分析仪 + 矢量信号分析软件来形成一个结合射频和数字的整体测试方案:
自定义信号分析软件:负责产生测试激励信号给微波矢量信号源。
微波矢量信号源:负责产生射频激励信号送给数字接收模块。
逻辑分析仪:负责对数字接收模块的数字输出信号进行采集分析。
信号分析软件:负责对逻辑分析仪采集到的信号执行测量算法。
该系统能够支持的测试项包括:
通信和卫星系统模块的宽带EVM测试; 宽带群时延测试; 宽带幅频、相位响应、噪声系数等; 多通道系统下通道之间振幅和相位一致性的测量等。
图5. 数字转发器接收端测试
数字发射和接收模块大多最终会作为一个整体进行使用,因此最后一般还需要进行整体测试。
随着芯片集成的进一步提高以及系统带宽和数字接口速率的进一步提高,数字测试接口通常无法快速适应测试件,这经常成为阻碍测试的瓶颈。然而,数字T/R测试件本身强大的数字处理能力同时提供了测试的可能性。利用试件本身的数字文件输入和输出功能,可以结合基于软件的测量算法,形成适应性强的数字T/R测试平台。
以数字接收机为例,我们可以使用射频信号源作为测试激励信号,并使用测试片以波形模式导出响应信号,并将其发送到信号分析软件进行测量和表征。同样,对于数字发射机的测试,我们也可以将测量的激励信号以波形的形式注入到待测试的发射机中,同时使用射频分析仪测量射频输出的参数。因此,从这个角度来看,射频数字化不仅给测试和测量带来了挑战,也带来了创新和集成。