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寬帶測(cè)量技術(shù)白皮書(shū)

作者：時(shí)間：2017-01-04 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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1.復(fù)雜電子系統(tǒng)的發(fā)展及其測(cè)量需求

典型的復(fù)雜電子系統(tǒng)主要有：寬帶雷達(dá)，捷變頻電臺(tái)，電子對(duì)抗，寬帶無(wú)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(hào)的功率控制和頻率搬移，對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)靈敏度，動(dòng)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(wú)源電路。隨著系統(tǒng)功能和性能要求的提高，電子系統(tǒng)對(duì)這些射頻微波電路的要求越來(lái)越高，帶寬要求越來(lái)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(hào)的生成，復(fù)雜信號(hào)的處理，大數(shù)據(jù)量和高速信號(hào)的傳輸，對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)工作速度，機(jī)動(dòng)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(duì)這些數(shù)字電路的要求越來(lái)越高，信號(hào)速率從3Gbps量級(jí)正向著10Gbps量級(jí)邁進(jìn)。
對(duì)復(fù)雜電子系統(tǒng)的測(cè)量涉及最新的儀器技術(shù)和測(cè)量方法，總體歸類(lèi)表1所示。

表1 寬帶電子系統(tǒng)的測(cè)量需求和儀器方案

下面展開(kāi)分別介紹這4個(gè)部分。

2.寬帶信號(hào)的產(chǎn)生

寬帶儀器產(chǎn)生寬帶信號(hào)的框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括：信號(hào)產(chǎn)生工具，任意波形發(fā)生器，寬帶矢量信號(hào)源。
信號(hào)產(chǎn)生工具用來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜的寬帶信號(hào)，把這些信號(hào)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(hào)，通過(guò)矢量信號(hào)源的外部IQ調(diào)制，最終通過(guò)信號(hào)源的RF端口輸出。

圖1 寬帶信號(hào)產(chǎn)生框圖

寬帶儀器產(chǎn)生寬帶信號(hào)的考慮因素參考表2。對(duì)于信號(hào)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(hào)，以滿足測(cè)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(shí)最好支持各種前期經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的庫(kù)，比如雷達(dá)庫(kù)，通信信號(hào)庫(kù)，導(dǎo)航庫(kù)等，這樣可以快速和標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)生各種復(fù)雜信號(hào)。SystemVue就是可以滿足這種要求的信號(hào)產(chǎn)生工具，具備復(fù)雜系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)能力，技術(shù)專家已經(jīng)設(shè)計(jì)好了許多庫(kù)，滿足各種信號(hào)產(chǎn)生的要求。
對(duì)于任意波形發(fā)生器，要求具備足夠的帶寬，足夠的存儲(chǔ)深度，同時(shí)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(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍大，諧波失真小，噪聲本底小。噪聲本底很關(guān)鍵，因?yàn)楹芏鄰?fù)雜信號(hào)要求儀器噪聲本底小于-140dBm/Hz，使得經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)或數(shù)字預(yù)失真后，信號(hào)波形質(zhì)量能夠滿足測(cè)試要求。
對(duì)于矢量信號(hào)源，首先要求保證帶寬和保證信號(hào)質(zhì)量。所以一般不用上變頻處理的手段，因?yàn)槠潆y以保證信號(hào)質(zhì)量。用上變頻器的手段的問(wèn)題主要體現(xiàn)在鏡像較大（無(wú)法通過(guò)校準(zhǔn)處理掉），動(dòng)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(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)產(chǎn)生的目的。另外，還需要考慮矢量信號(hào)源的信號(hào)載波頻率范圍，信號(hào)載波功率調(diào)整范圍等因素。

表2 寬帶信號(hào)產(chǎn)生的考慮因素

常用的信號(hào)產(chǎn)生工具如表3所示，可選用ADS/SystemVue仿真設(shè)計(jì)軟件，Matlab工具軟件，或儀器采集的數(shù)據(jù)。SystemVue是推薦的信號(hào)產(chǎn)生工具，它是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)軟件，可提供各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合、編碼等仿真設(shè)計(jì)能力，可用于各種復(fù)雜系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)場(chǎng)合。SystemVue有各種軟件庫(kù)，如雷達(dá)庫(kù)，無(wú)線通信庫(kù)，導(dǎo)航庫(kù)等，可幫助使用者進(jìn)行快速準(zhǔn)確的仿真設(shè)計(jì)。

表3 常用的信號(hào)產(chǎn)生工具

寬帶信號(hào)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(hào)源的典型技術(shù)指標(biāo)如表4和表5所示。這兩臺(tái)儀器在業(yè)界的同類(lèi)產(chǎn)品中性能指標(biāo)都是最高的。M8190A可達(dá)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(hào)或其他信號(hào)。E8267D的頻率可達(dá)44GHz，調(diào)制器帶寬可達(dá)2GHz，配合M8190A可產(chǎn)生高品質(zhì)的寬帶信號(hào)。

表4 任意波形發(fā)生器典型指標(biāo)

表5 矢量信號(hào)源典型指標(biāo)

寬帶信號(hào)產(chǎn)生的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(jì)的寬帶系統(tǒng)，校準(zhǔn)或數(shù)字預(yù)失真都是一個(gè)必須的過(guò)程，因?yàn)閷拵x器或器件及系統(tǒng)，只靠硬件性能是無(wú)法產(chǎn)生比較完美的寬帶信號(hào)。校準(zhǔn)的參數(shù)和處理過(guò)程如表6所示。

表6 寬帶信號(hào)產(chǎn)生中的校準(zhǔn)內(nèi)容和校準(zhǔn)過(guò)程

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

圖2 頻響校準(zhǔn)前后狀態(tài)

3.寬帶信號(hào)的分析

能進(jìn)行寬帶信號(hào)分析的儀器主要有：
1.寬帶頻譜信號(hào)分析儀。如PXA N9030A，頻率可達(dá)50GHz（外混頻可到110GHz），分析帶寬可達(dá)160MHz（外部數(shù)字化儀可達(dá)800MHz）。N9030A還支持實(shí)時(shí)頻譜分析功能，實(shí)時(shí)帶寬160MHz，最小捕獲脈寬3.57us。
2.實(shí)時(shí)示波器。如Infiniium 90000Q，帶寬可達(dá)63GHz，采樣率可達(dá)160GSa/s，存儲(chǔ)深度可達(dá)2GB。使用示波器分析射頻微波信號(hào)的原因是彌補(bǔ)頻譜信號(hào)分析儀帶寬的不足，分析帶寬高達(dá)63GHz。同時(shí)用示波器可進(jìn)行模擬IQ信號(hào)的分析，因?yàn)槭静ㄆ鞯?個(gè)通道是相參的，而且使用探頭容易進(jìn)行在線測(cè)量和差分測(cè)量。
3.邏輯分析儀。如U4154A，單模塊支持136通道，狀態(tài)速率可達(dá)4Gbps，定時(shí)速率可達(dá)12.5GHz，存儲(chǔ)深度可達(dá)200M/通道。支持FPGA動(dòng)態(tài)探頭，支持矢量信號(hào)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(hào)。

圖3 先進(jìn)儀器對(duì)寬帶信號(hào)的測(cè)試和分析

儀器最基本的功能是提供被測(cè)對(duì)象的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)測(cè)試結(jié)果不滿足要求時(shí)，先進(jìn)儀器提供的技術(shù)能力能大大提高故障判斷的效率，為問(wèn)題的解決提供豐富的技術(shù)途徑。首先現(xiàn)在儀器能對(duì)被測(cè)電子系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)立的測(cè)試手段，包含數(shù)字信號(hào)，基帶信號(hào)，中頻和射頻信號(hào)等，而且分析的工具能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化，如圖3所示，可以利用邏輯分析儀，實(shí)時(shí)示波器，頻譜信號(hào)分析儀分別對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字基帶，模擬基帶和射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，這些儀器采集的信號(hào)波形數(shù)據(jù)都能通過(guò)矢量分析軟件來(lái)進(jìn)行分析，分析功能包含頻譜，時(shí)域和解調(diào)分析等。這樣在統(tǒng)一的分析環(huán)境下對(duì)數(shù)字信號(hào)，基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能大大提高問(wèn)題定位的效率。89601B矢量分析軟件為核心的矢量信號(hào)分析系統(tǒng)，可以支持全系列的邏輯分析儀，實(shí)時(shí)示波器和頻譜信號(hào)分析儀。
寬帶系統(tǒng)的主要寬帶測(cè)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(cè)量參數(shù)和使用儀器

下圖4列舉了幾個(gè)典型的測(cè)試。圖中1是帶寬達(dá)2GHz的雷達(dá)信號(hào)的Chirp特征分析；圖中2是寬帶信號(hào)的頻譜測(cè)試；圖中3是接收機(jī)噪聲系統(tǒng)測(cè)試設(shè)置圖。

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