射頻收發(fā)器在數(shù)字波束合成相控陣中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制雜散去相關(guān)性

簡(jiǎn)介

在大型數(shù)字波束合成天線中，人們非常希望通過(guò)組合來(lái)自分布式波形發(fā)生器和接收器的信號(hào)這一波束合成過(guò)程改善動(dòng)態(tài)范圍。如果關(guān)聯(lián)誤差項(xiàng)不相關(guān)，則可以在噪聲和雜散性能方面使動(dòng)態(tài)范圍提升10logN。這里的N是波形發(fā)生器或接收器通道的數(shù)量。噪聲在本質(zhì)上是一個(gè)非常隨機(jī)的過(guò)程，因此非常適合跟蹤相關(guān)和不相關(guān)的噪聲源。然而，雜散信號(hào)的存在增加了強(qiáng)制雜散去相關(guān)的難度。因此，可以強(qiáng)制雜散信號(hào)去相關(guān)的任何設(shè)計(jì)方法對(duì)相控陣系統(tǒng)架構(gòu)都是有價(jià)值的。

在本文中，我們將回顧以前發(fā)布的技術(shù)，這些技術(shù)通過(guò)偏移LO頻率并以數(shù)字方式補(bǔ)償此偏移，強(qiáng)制雜散信號(hào)去相關(guān)。然后，我們將展示ADI公司的最新收發(fā)器產(chǎn)品，ADRV9009，說(shuō)明其集成的特性如何實(shí)現(xiàn)這一功能。然后，我們以測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)束全文，證明這種技術(shù)的效果。

已知雜散去相關(guān)方法

在相控陣中，用于強(qiáng)制雜散去相關(guān)的各種方法問(wèn)世已有些時(shí)日。已知的第一份文獻(xiàn)1可以追溯到2002年，該文描述了用于確保接收器雜散不相關(guān)的一種通用方法。在這種方法中，先以已知方式，，修改從接收器到接收器的信號(hào)。然后，接收器的非線性分量使信號(hào)失真。在接收器輸出端，將剛才在接收器中引入的修改反轉(zhuǎn)。目標(biāo)信號(hào)變得相干或相關(guān)，但不會(huì)恢復(fù)失真項(xiàng)。在測(cè)試中實(shí)現(xiàn)的修改方法是將每個(gè)本振(LO)頻率合成器設(shè)置為不同的頻率，然后在數(shù)字處理過(guò)程中以數(shù)字方式調(diào)諧數(shù)控振蕩器(NCO)，以校正修改。文獻(xiàn)里還提到了若干其他方法^{2, 3}。

多年以后，隨著完整的收發(fā)器子系統(tǒng)被先進(jìn)地集成到單個(gè)單片硅片當(dāng)中，收發(fā)器產(chǎn)品中的嵌入式可編程特性為實(shí)現(xiàn)以下文章描述的雜散去相關(guān)方法提供了可能：“Correlation of Nonlinear Distortion in Digital Phased Arrays：Measurement and Mitigation”（數(shù)字相控陣中的非線性失真：測(cè)量與緩解）。¹

實(shí)現(xiàn)雜散去相關(guān)的收發(fā)器功能

圖1所示為ADI公司收發(fā)器ADRV9009的功能框圖。

圖1 ADRV9009功能框圖

每個(gè)波形發(fā)生器或接收器都是用直接變頻架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。Daniel Rabinkin的文章“Front-End Nonlinear Distortion and Array Beamforming”（前端非線性失真與陣列波形合成）詳細(xì)地討論了各種直接變頻架構(gòu)。4 LO頻率可以獨(dú)立編程到各IC上。數(shù)字處理部分包括數(shù)字上/下變頻，其NCO也可跨IC獨(dú)立編程。Peter Delos的文章《A Review of Wideband RF Receiver Architecture Options》（寬帶射頻接收器架構(gòu)的選項(xiàng)）對(duì)數(shù)字下變頻進(jìn)行了進(jìn)一步的描述。5

接下來(lái)，我們將展示一種方法，可以用于在多個(gè)收發(fā)器上強(qiáng)制雜散去相關(guān)。首先，通過(guò)編程板載鎖相環(huán)(PLL)偏移LO的頻率。然后，設(shè)置NCO的頻率，以數(shù)字化補(bǔ)償施加的LO頻率偏移。通過(guò)調(diào)整收發(fā)器IC內(nèi)部的兩個(gè)特性，進(jìn)出收發(fā)器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不必在頻率上偏移，整個(gè)頻率轉(zhuǎn)換和寄生去相關(guān)功能都內(nèi)置在收發(fā)器IC中。

圖2所示為具有代表性的波形發(fā)生器陣列功能框圖。我們將詳細(xì)描述波形發(fā)生器的方法，展示波形發(fā)生器的數(shù)據(jù)，但該方法同樣適用于任何接收器陣列。

圖2 通過(guò)編程波形發(fā)生器陣列的LO和NCO頻率，強(qiáng)制雜散去相關(guān)

為了從頻率角度說(shuō)明概念，圖3展示了一個(gè)帶有來(lái)自直接變頻架構(gòu)的兩個(gè)發(fā)送信號(hào)的示例。在這些示例中，射頻位于LO的高端。在直接變頻架構(gòu)中，鏡像頻率和三次諧波出現(xiàn)在LO的相對(duì)側(cè)，并顯示在LO頻率下方。當(dāng)將不同通道的LO頻率設(shè)置為相同的頻率時(shí)，雜散頻率也處于相同的頻率，如圖3a所示。圖3b所示為L(zhǎng)O2的設(shè)置頻率高于LO1的情況。數(shù)字NCO同等地偏移，使RF信號(hào)實(shí)現(xiàn)相干增益。鏡像和三次諧波失真積處于不同的頻率，因此不相關(guān)。圖3c所示為與圖3b相同的配置，只是RF載波添加了調(diào)制。

圖3 用頻率顯示雜散信號(hào)的光譜示例。三個(gè)示例：(a) 無(wú)雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合CW信號(hào)；(b) 強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合CW信號(hào)；以及 (c) 強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合調(diào)制信號(hào)

測(cè)量結(jié)果

組裝了一個(gè)基于收發(fā)器的8通道射頻測(cè)試臺(tái)，用于評(píng)估相控陣應(yīng)用的收發(fā)器產(chǎn)品線。評(píng)估波形發(fā)生器的測(cè)試設(shè)置如圖4所示。在該測(cè)試中，將相同的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于所有波形發(fā)生器。通過(guò)調(diào)整NCO相位實(shí)施跨通道校準(zhǔn)，以確保射頻信號(hào)在8路組合器處同相并且相干地組合。

圖4 波形發(fā)生器雜散測(cè)試設(shè)置

接下來(lái)，我們將展示測(cè)試數(shù)據(jù)，比較以下兩種情況下的雜散性能：一是將LO和NCO都設(shè)為相同的頻率；二是偏移LO和NCO的頻率。所使用的收發(fā)器在一個(gè)雙通道器件內(nèi)共用一個(gè)LO（見(jiàn)圖1），因此對(duì)于8個(gè)射頻通道來(lái)說(shuō)，共有4個(gè)不同的LO頻率。

在圖5和圖6中，收發(fā)器NCO和LO都設(shè)置為相同的頻率。在這種情況下，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號(hào)都處于相同的頻率。圖5所示為通過(guò)頻譜分析儀測(cè)得的各發(fā)射輸出。圖6所示為組合輸出。在這個(gè)特定的測(cè)試中，相對(duì)于載波以dBc為單位測(cè)量的鏡像雜散和LO泄漏雜散展現(xiàn)出改善的跡象，但三次諧波沒(méi)有改善。在測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，三次諧波在各個(gè)通道之間始終相關(guān)，鏡像頻率始終不相關(guān)，LO頻率根據(jù)啟動(dòng)條件而變化。這反映在圖3a中，其中，我們展示了三次諧波的相干疊加、鏡像頻率的非相干疊加以及LO泄漏頻率的部分相干疊加。

圖5 各通道的波形發(fā)生器雜散（LO和NCO設(shè)為相同的頻率）

圖6 組合波形發(fā)生器雜散（LO和NCO設(shè)為相同的頻率）。

注意，在這種配置中，三次諧波雜散沒(méi)有改善

在圖7和圖8中，收發(fā)器LO全部設(shè)為不同的頻率，并且同時(shí)調(diào)整數(shù)字NCO的頻率和相位，使得信號(hào)相干地組合。在這種情況下，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號(hào)被強(qiáng)制設(shè)為不同的頻率。圖7所示為通過(guò)頻譜分析儀測(cè)得的各發(fā)射輸出。圖8所示為組合輸出。在這個(gè)測(cè)試中，相對(duì)于載波以dBc為單位測(cè)量的鏡像雜散、LO泄漏雜散和三次諧波雜散開(kāi)始擴(kuò)散進(jìn)噪聲，將通道組合起來(lái)后，每種雜散都展現(xiàn)出改善的跡象。

圖7 各通道的波形發(fā)生器雜散（LO和NCO的頻率偏移）

圖8 組合波形發(fā)生器雜散（LO和NCO頻率偏移）。

注意，在這種情況下，雜散的頻率有所擴(kuò)散，并且相對(duì)于單個(gè)通道SFDR，其SFDR有明顯的改善。

當(dāng)組合非常少量的通道時(shí)，比如在本測(cè)試中，雜散的相對(duì)水平實(shí)際上提高了20log(N)。這是由于信號(hào)分量相干地組合并以20log(N)遞增，而雜散根本沒(méi)有組合。在實(shí)踐中，通過(guò)組合大通道陣列和更多通道，改善程度有望接近10log(N)。原因有二。首先，在組合大量信號(hào)的情況下，充分?jǐn)U散雜散以獨(dú)立考慮每個(gè)雜散是不現(xiàn)實(shí)的。以1 MHz調(diào)制帶寬為例。如果規(guī)格規(guī)定，要在1 MHz帶寬內(nèi)測(cè)量雜散輻射，那么最好擴(kuò)散雜散，使它們相距至少1 MHz。如果無(wú)法做到，則每1 MHz的測(cè)量帶寬都會(huì)包括多個(gè)雜散分量。由于這些分量將處于不同的頻率，所以，它們將不相干地組合，并且在每1 MHz帶寬中測(cè)得的雜散功率將以10log(N)遞增。然而，任一1 MHz測(cè)量帶寬都不會(huì)包含所有雜散，因此在這種情況下，雜散N小于信號(hào)N；盡管改進(jìn)增量為10log(N)，但一旦N足夠大，使其雜散密度能在測(cè)量帶寬內(nèi)容納多個(gè)雜散，則與無(wú)雜散信號(hào)去相關(guān)的系統(tǒng)相比，絕對(duì)改善量仍然優(yōu)于10log(N)——也就是說(shuō)，改善量將介于10log(N)和20log(N)分貝（或dB）之間。其次，這個(gè)測(cè)試是用CW信號(hào)完成的，但現(xiàn)實(shí)信號(hào)會(huì)被調(diào)制，這將導(dǎo)致它們擴(kuò)散，使得在組合大量信道的情況下，不可能實(shí)現(xiàn)不重疊的雜散信號(hào)。這些重疊的雜散信號(hào)將是不相關(guān)的，并且在重疊區(qū)域以10log(N)不相干地遞增。

當(dāng)將不同通道的LO設(shè)為相同頻率時(shí)，需要特別注意LO泄漏分量。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)分支相加時(shí)，模擬調(diào)制器中LO的不完全消除，這是導(dǎo)致LO泄漏的原因。如果幅度和相位不平衡是隨機(jī)誤差，則剩余LO泄漏分量的相位也將是隨機(jī)的，并且當(dāng)將許多不同的收發(fā)器的LO泄漏相加時(shí)，即使它們的頻率完全相同，它們也將以10log(N)不相干地疊加。調(diào)制器的鏡像分量也應(yīng)如此，但調(diào)制器的三次諧波則不一定這樣。在少量通道被相干組合的情況下，LO相位不太可能是完全隨機(jī)的，因此測(cè)得數(shù)據(jù)中展示了部分去相關(guān)的原因。由于信道數(shù)量非常多，因此，不同通道的LO相位更接近隨機(jī)條件，并且預(yù)計(jì)為不相關(guān)疊加。

結(jié)論

當(dāng)LO和NCO的頻率偏移時(shí)，結(jié)果會(huì)測(cè)得SFDR，其清楚地表明，所產(chǎn)生的雜散全部處于不同頻率并且在組合過(guò)程中不相關(guān)，從而確保在組合通道時(shí)SFDR能得到改善?，F(xiàn)在，在ADI公司的收發(fā)器產(chǎn)品中，LO和NCO頻率控制已經(jīng)成為一種可編程的特性。結(jié)果表明，該功能可用于相控陣應(yīng)用，相比單通道性能，可確保陣列級(jí)的SFDR改善。

參考文獻(xiàn)

1 Lincoln Cole Howard和Daniel Rabideau，“Correlation of Nonlinear Distortion in Digital Phased Arrays: Measurement and Mitigation”（數(shù)字相控陣中的非線性失真：測(cè)量與緩解），2002 IEEE MTT-S國(guó)際微波研討會(huì)文摘。

2 Salvador Talisa、Kenneth O’Haever、Thomas Comberiate、Matthew Sharp和Oscar Somerlock，“Benefits of Digital Phased Arrays”（數(shù)字相控陣的好處），IEEE論文集，第104卷第3期，2016年3月。

3 Keir Lauritzen，“Correlation of Signals, Noise, and Harmonics in Parallel Analog-to-Digital Converter Arrays”（并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列中的信號(hào)、噪聲與諧波相關(guān)性），博士論文，馬里蘭大學(xué)，2009年。

4 Rabinkin，Song，“Front-End Nonlinear Distortion and Array Beamforming”（前端非線性失真與陣列波形合成），Radio and Wireless Symposium (RWS) 2015 IEEE。

5 Peter Delos，“A Review of Wideband RF Receiver Architecture Options”（寬帶射頻接收器架構(gòu)選項(xiàng)綜述），ADI公司，2017年2月。

Delos，Peter，“Can Phased Arrays Calibrate on Noise?”（相控陣能校準(zhǔn)噪聲嗎），Microwave Journal，2018年3月。

Jonathan Harris，“What’s Up with Digital Downconverters—Part 1”（數(shù)字下變頻器的發(fā)展和更新——第一部分），《模擬對(duì)話》，2016年7月。

Jonathan Harris，“What’s Up with Digital Downconverters—Part 2”（數(shù)字下變頻器的發(fā)展和更新——第一部分），《模擬對(duì)話》，2016年11月。

Howard，Lincoln、Nina Simon和Daniel Rabideau，“Mitigation of Correlated Nonlinearities in Digital Phased Arrays Using Channel- Dependent Phase Shifts”（運(yùn)用通道依賴型相移緩解數(shù)字相控陣中的相關(guān)非線性問(wèn)題），2003 EEE MTT-S Digest。

作者簡(jiǎn)介

Peter Delos是ADI公司航空航天和防務(wù)部門的技術(shù)主管，在美國(guó)北卡羅萊納州格林斯博羅工作。他于1990年獲得美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于2004年獲得美國(guó)新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位。Peter擁有超過(guò)25年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。其職業(yè)生涯的大部分時(shí)間花在高級(jí)RF/模擬系統(tǒng)的架構(gòu)、PWB和IC設(shè)計(jì)上。他目前專注于面向相控陣應(yīng)用的高性能接收器、波形發(fā)生器和合成器設(shè)計(jì)的小型化工作。聯(lián)系方式：peter.delos@analog.com。

Mark Robertson本科于1990年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，獲電氣與信息科學(xué)學(xué)位。2012年，他在英國(guó)巴斯加盟ADI公司，擔(dān)任系統(tǒng)工程師；此前，先后在測(cè)試和測(cè)量、手機(jī)和蜂窩基站等多個(gè)行業(yè)的多家公司供職，擔(dān)任射頻和模擬電路設(shè)計(jì)工程師。他仍然喜歡隨時(shí)設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)電路。聯(lián)系方式：mark.robertson@analog.com。

Mike Jones是ADI公司航空航天與防務(wù)部門的一名首席電氣設(shè)計(jì)工程師，在美國(guó)北卡羅來(lái)納州格林斯博羅工作。他于2016年加入ADI公司。從2007年到2016年，他在北卡羅來(lái)納州威爾明頓的通用電氣公司工作，擔(dān)任微波光子學(xué)設(shè)計(jì)工程師，致力于研發(fā)核工業(yè)微波和光學(xué)解決方案。他于2004年獲得北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位，2006年獲得北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：michael.jones@analog.com。