大带宽矢量信号分析仪的中频处理设计

  / 田元锁 赵润年 中国电子科技集团公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

  *基金项目：中国电科技术创新项目《微波毫米波大带宽大规模MIMO测试技术研究》

  田元锁，1983年6月出生，工学硕士，工程师，主要研究方向为电子测试与仪器开发、中频电路设计等。

  摘要：移动通信技术快速的提升，系统带宽持续不断的增加，本文提出了分析仪的中频处理设计，用于解决的难点，适用于多种矢量信号标准，能接收高达100 MHz宽带的矢量信号，解调分析性能的EVM值小于1%，满足大带宽矢量信号分析的要求。

  IQ正交调制技术普遍应用于现代数字通信系统，其调制信号可以用IQ两路来表示。作为调制信号，其信号质量必须要达到一定的要求，通常衡量把这种IQ正交调制信号当作一个矢量来分析，映射到星座(Constellation)的I轴(横轴)Q轴(纵轴)上，分别对IQ两路信号做多元化的分析，也可以针对IQ信号衍生出来的多个指标做多元化的分析，如EVM，从不同的角度衡量了矢量调制信号的信号质量[1-7]。

  目前通信系统的信号慢慢的变复杂，如大的带宽、复杂的调制方式，要求矢量信号分析仪具有分析大带宽、多种调试制式信号的分析能力。因而在大带宽矢量信号分析仪的设计，就一定要满足以上要求。通常来说，矢量信号分析带宽越大，数字下变频处理越复杂，国外优秀的矢量信号分析仪表厂商一般都会采用大规模集成电路，手段先进，我们借鉴其经验，并考虑成本等因素，采用多片通用高速现场可编程逻辑器件来构成数字下变频器[8-11]。

  数字下变频器的性能对整个中频处理影响很大，重要的因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限长所引起的误差，即数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，产生尾数截断;二是数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。根据截断和近似的程度，会或多或少地影响数字下变频的性能[12-14]。基于上述的特点，高采样率数字下变频器的设计有相当大的难度，图1是数字下变频器的原理框图。

  决定数字下变性能的最重要的因素是数字控制振荡器(NCO)，其作用就是产生一个理想的正弦和余弦波。在信号采样率很低的时候，通过实时计算的方法产生。在信号采样频率很高情况下，实时计算的方法是不可能实现的，因此，最有效、最简便的手段是查表法，即事先根据各个NCO正弦波相位计算好相位的正弦值，以相位角度作为地址存储该相位的正弦值数据，相位角度与该相位的正弦值一一对应，在每出现一次信号采样值时，NCO就增加一个2π(fLO/fs)，然后以相应相位累加角度作为地址，检查该地址上的数值并输出到数字乘法器。数字低通滤波器拟采用CIC滤波器和FIR滤波器相结合的方式，CIC滤波器占用资源少，并实现信号的抽取，FIR滤波器能够获得较好的带外抑制[12-14]。图2是CIC滤波器和FIR滤波器组合的一种仿线 中频自动增益控制

  自动增益控制模块主要是运用自动量程变换技术，如图3所示，核心思想是利用通路中抗混叠滤波器有较长的延时特性，在ADC之前加一个可变增益调节器，在扫描过程中，使电路能进行充分的峰值预检测和增益判别，进而调整进入ADC的信号增益。自动量程变换机制相当于扩展了ADC的量程范围，来提升了测量动态范围。图3中，可变带通预滤波器对中频信号进行预滤波。中频信号经预滤波后分为两路：主路信号进行抗混叠滤波，旁路信号进入峰值处理器。抗混叠滤波器存在很大的延时，它把输入信号延时到ADC采样时钟周期的很多倍。正是该延时的存在能确保信号到达ADC之前能及时对输入信号进行电平判别处理和增益调整。滤波器的延时允许该技术在一个时钟周期内及时检测信号电平，然后在下一个时钟周期内决定需要调整的放大器增益并且完成电路设置。调整后具有最佳增益的信号到达ADC，使动态范围最大化。特别是对那些需要更大动态范围的包含大、小信号的测量时，动态范围已经通过加在ADC前面的增益改善了。增益规则处理器根据峰值处理器的输出结果控制可变放大器的增益：输入为大信号，放大器增益减小;输入为小信号，放大器增益增大。另外增益规则处理器还控制ADC量化数据的缩放处理，目的是去掉可变放大器的增益，恢复原来信号幅度值。此外，通过提前对信号幅度检测和调整，可以有效的预防信号过载从而保护ADC。

  矢量调制误差的精密补偿修正技术要解决两方面的问题：一是要减小I/Q驱动电路本身的频率响应、直流偏移等问题，尽可能降低I/Q驱动电路对调制信号的影响;二是对驱动信号做必要的修正，进一步提升调制信号的质量。

  图4给出了镜像抑制比与相位平衡、幅度平衡之间的关系图。要达到我们设计的基本要求，镜像抑制比要求在40dB以上。

  首先，为了补偿基带通路中的损耗，改善调制频响，我们设计了折线补偿方案改善通道的频率响应。

  其次，任何元器件都不可能是理想的，I和Q两路基带信号的增益难免会有微小的差别，矢量调制器也有功分两路功率不平衡、混频器变频损耗不一样等问题，最终体现为矢量调制信号的I/Q幅度不平衡，降低矢量调制信号的质量。

  从图4能够准确的看出，幅度平衡要求低于0.05dB，相位误差要求小于0.5度。显然，要达到如此高的要求，不经过精密的补偿修正是不可能的。

  基带信号处理单元主要完成对信号进行实时信号分析与实时信号发生等功能。图5为160MHz中频数字化处理分析模块的硬件结构示意图。主要设计思想如下：采样频率为320MHz的ADC及时钟等外围电路构成了信号采集和调理电路。FPGA主要负责与主机接口连接，控制数据采集，抽取滤波，实时FFT以及触发控制等处理，然后将时域数据通过串行RapidIO实时传输给DSP。DSP完成相应的时频域分析处理，再把数据存入DDR2存储器中。DSP同时在主机控制下将频谱数据通过双口RAM回传给主机，同时也通过串行RapidIO将频率模板数据传输给FPGA，进行实时触发。

  。如图6所示，SRIO网络围绕两个基本模块构建而成：端点和交换机。端点对包进行源端(source)和宿端(sink)处理，而交换机在端口间传送包，对其不加解析。以3.125Gbps运行的4通道SRIO链路能够给大家提供10Gbps的流量，且保证数据完整性。由于SRIO类似于微处理器总线，因此包处理是通过硬件实现的，这在某种程度上预示着可大幅度消减I/O处理方面的额外开销，降低延迟并增加系统带宽，但与多数总线不同，SRIO接口的引脚较少，带宽在链路为3.125Gbps的基础上可继续扩展。

  为了满足大带宽矢量信号分析仪的要求，数据传输测试模块基带使用1x协议模式与4x协议模式，其接口时序图如图7、图8所示。

  分别用两载波带宽为40MHz和三载波带宽为60MHz来测试，其测试结果为图9和图10所示。

  经过相关测试，完成了大带宽矢量信号分析仪的中频处理，得到了实际应用.采用该方案，信号分析带宽可到100M，目前5G已确定进入到我们的生活，后续支持5G的信号分析是个难点，同时对中频提出了挑战。参考文献：

  [1]刘青松，刘亮，范吉伟，王令.基波变频技术在频率合成器中的应用研究[J] 国外电子测量技术,2016, 35(5):66.

  [3]刘军军. 矢量调制信号误差分析技术探讨研究 [D]. 哈尔滨工业大学. 2015.

  [4]梁婷婷. 宽带矢量信号分析技术探讨研究与实现[D]. 哈尔滨工业大学. 2015.

  [6]管金新. 基于OFDM调制技术的中频数字收发信机设计与实现[D].南京航天航空大学. 2017.

  [7]李敬，顾军，李晓惠.矢量网络分析仪中频采集处理设计与实现[J] 国外电子测量技术,2016, 35(5):79.

  [8]赵润年，汤瑞.一种矢量信号解调和频谱分析的射频接收通道设计[J] 国外电子测量技术,2018, 37(4):50.

  [9]刘琳琳.动态信号分析仪的软件开发及实现 [D] 电子科技大学.2016

  [10]阎啸.宽带多制式无线通信信号解调测试算法研究[D] 电子科技大学. 2010

  [11]王宇扬. 数字通信信号调制识别与参数估计 [D]. 南京理工大学. 2014

  [13]闵紫辰.双向卫星时间传递调制解调器的研究[D] 西安电子科技大学.2005.

  [14]崔斌斌.中频数字接收机的设计与实现 [D].哈尔滨工业大学.2007.

  本文来源于《电子科技类产品世界》2018年第10期第32页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。