射频电路交调特性的快速自动化测试系统

张利红，阴亚东

(1．福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州　350108；2．中国科学院微电子研究所，北京　100029)

0　引言

高速发展的现代无线通信技术对射频收发电路的线性性能要求越来越高。一方面为了提高频谱利用率，现代无线通信大多采用线性调制技术，而射频收发电路中的非线性将造成信号失真和频谱扩展，恶化接收灵敏度甚至造成信号阻塞[1]。因此射频电路产品的非线性测试分析是现代无线通信产品设计生产的必要环节。

射频电路非线性特性中增益压缩、功率饱和交调特性是较为常见的指标[2]，传统非线性测试主要通过功率扫描方式获得射频电路功率曲线，从而分析得出射频电路的非线性特性。对于增益压缩和功率饱和等不存在频率变换的非线性指标，可以利用网络分析的功率扫描功能进行快速自动化测试[3-5]。但交调特性测试由于需要产生双音信号并且存在频率变换，测试较为复杂，因此市场上未发现有专用的测试仪器。

文中提出了一种利用通用射频测试仪器构建的射频电路交调特性快速自动化测试系统。该系统利用矢量射频信号源中的任意波形产生功能(AWG)[6-7]，实现了频差可编程的双音信号产生；并提出了一种自适应的功率检测技术，实现了快速而精确的射频信号功率测量；结合程控仪器标准命令(standard commands for programmable instruments，SCPI)[8-9]实现了对仪器的自动控制并最终实现了射频电路交调特性功率扫描，并完成了基于VB6．0的测试系统可视化软件设计。该测试系统测试仪器的控制测量、数据处理等都由系统自动完成，最大程度减少了人工操作而缩短了测试时间并减少了误操作可能性，特别适用于大规模批量化的射频电路产品测试。

1　测试原理分析

1．1射频电路非线性特性分析

由于非线性的存在，射频电路输出信号与输入信号之间并不是简单地线性关系，一般可以采用幂级数形式进行表示：

(1)

式中an为第n阶幂级系数，其阶数越大系数数值越小，因此电路分析中一般只取前3阶。

当非线性电路输入信号为双音信号：

x(t)=A(cosω1t+cosω2t)

(2)

则输出信号为：

y(t)=a1A(cosω1t+cosω2t)+a2A2(cosω1t+cosω2t)2+

A3(cosω1t+cosω2t)3

(3)

将式(3)展开后可以看到，输出信号不仅存在输入信号中的频率分量还将存在其他频率分量，且各分量强度分别为：

(4)

其中将由2阶系数产生的频率分量ω1±ω2称为2阶交调，而由3阶系数产生的频率分量2ω1±ω2、2ω2±ω1称为3阶交调；从公式(4)中可以看出，2阶交调分量强度将与输入信号强度的平方成正比；3阶交调分量强度将与输入信号强度立方成正比。工程上，一般将输出信号中2阶交调分量与双音信号分量强度相同时的输入信号强度称为输入2阶交调点(IIP2)；而3阶交调分量与双音信号分量强度相同时的输入信号强度称为输入3阶交调点(IIP3)。

对于射频接收机而言，3阶交调的存在将使信道外的干扰信号被调制到信道内而造成干扰；同时现代射频通信接收机大多采用零/低中频下变频结构，由于混频器的非理想特性，2阶交调信号也将馈通效应直接调制到基带信号内造成干扰，如图1所示。交调特性的存在，将严重降低射频电路性能的下降，因此对射频电路交调特性的测试是非常重要的。

图1　交调特性对射频接收电路的影响

1．2双音信号产生原理

随着现代测试技术发展的突飞猛进，新型测试仪器层出不穷，任意波形产生(AWG)作为最具代表性的新兴技术逐步由高端走向普及。具有AWG功能信号源的结构如图2所示，其可允许将计算机软件生成的波形数据下载至仪器内；然后以设定好的时钟频率通过D/A转换器将波形数据转换为对应的模拟信号，经过滤波器平滑后形成基带信号；I/Q两路正交基带信号与射频信号混频后产生最终的射频矢量信号[10-11]。

图2　具有AWG功能的射频矢量信号源结构

为了得到频率分量为f1、f2的射频信号，可以通过AWG产生以下I/Q基带信号：

(5)

同时将射频信号fc频率设置为(f1+f2)/2，经过上变频后生成的射频矢量信号为：

x(t)=I(t)·cos(2πfct)+Q(t)sin(2πfct)

(6)

此时下载的I/Q两路波形数据为：

(7)

式中fs为AWG采样时钟频率.

根据奈奎斯特采样定理，fs至少为(f1-f2)/2的2倍，fs越大越有利于降低数模转换的量化噪声功率密度[12]；同时为了减少波形失真造成的谐波干扰，波形数据应该至少为m(m≥10)个完整基带信号周期数据，因此则有：

(8)

1．3自适应功率检测原理

通常射频电路输出信号强度可以通过频谱分析仪和功率计进行功率检测测量，但功率计只能测量射频电路输出总功率，无法鉴别双音和交调频率分量功率，因此只能选择频谱分析仪进行功率检测测量。

由1.1分析可知，2阶和3阶交调强度分别与双音信号强度平方和立方成正比，这意味着当双音信号较小时，交调信号将很微弱；随着双音信号的增强，交调信号迅速增强；因此在功率扫描过程中，交调信号将具有非常宽的动态范围。利用频谱分析仪进行功率检测一直存在着精度和速度之间的矛盾。频谱分析仪参数主要有扫频范围(Span)、分辨带宽(RBW)和扫描时间(Sweep Time)，三者之间关系可以用式(9)进行简单表述：

(9)

从式(9)中可以看出，扫描时间tST与扫频范围成正比，与分辨带宽平方成反比[13]。从测试速度考虑，tST要尽可能短；从测量精度考虑，RBW要尽可能窄。由于频谱分析仪自身噪声以及射频电路输出噪声的影响，当交调信号较为微弱时，RBW越窄则噪声功率越低，信号功率检测越准确，但是测试时间越长。

为了实现对交调信号的精确测量同时尽可能的缩短测试时间，文中提出了一种自适应功率检测技术。在功率扫描前，其先对各预测频率点处的噪声功率谱密度进行测量和记录；然后测试系统将首先使用较大RBW值进行快速功率检测，检测完毕后测试系统将根据各频点处的噪声功率谱密度PSD(ω)|dBm/Hz和RBW，并利用式(10)计算噪声功率；

Pn(ω)|dBm=PSD(ω)|dBm/Hz+10log(RBW)|dB

(10)

之后将功率检测值与噪声功率进行比较，如果比值大于阈值，则说明当前功率检测结果准确；如果比值小于阈值，则说明噪声过大而测量结果不准确，测试系统将降低RBW并重复检测和判断；若RBW设置为最小值而比值仍小于阈值，则表明测试设置出错或被测信号超出测试系统测量范围，系统将进行报错警告。

2　测试系统软硬件实现

2．1自动测试系统硬件平台搭建

图3为测试系统的硬件平台结构示意图，测试系统由矢量信号源(Agilent N5182A)、频谱分析仪(Agilent N9010A)、被测射频电路、计算机和交换机等部件构成，其中矢量信号发生器、频谱分析仪和计算机通过网口连接成通信网络。测试系统工作原理为：计算机根据参数设置而产生双音波形数据并下载至N5182A，然后控制N5182A产生射频信号；其次将双音信号输入到被测射频电路中，而射频电路输出则加载至N9010A以进行功率检测；N9010A将在计算机控制下完成功率检测，并将测试数据传回计算机；计算机处理并保存测试数据后，将控制仪器进行新一轮功率扫描；最后功率扫频测试结束后，计算机将处理数据并打印结果。

图3　交调测试系统硬件平台

2．2测试系统软件设计

根据第2节的原理分析并结合SPI控制命令[14-15]，完成了基于VB6．0的测试系统可视化软件设计，测试系统可视化软件界面如图4所示。图5(a)为测试系统软件流程图，测试过程分为参数设置、噪声测量分析、双音波形下载、功率扫描和数据输出等环节。用户通过可视化界面可以设置双音信号频率点、测试频点、功率扫描范围、扫描点数等参数。在用户设置好参数并勾择“确定”选项后，“开始测试”按钮将被激活，此时用户点击“开始测试”按钮则将开启测试系统。测试系统首先将根据参数对测量仪器进行设置，包括N5182A的输入射频信号频率，N9010A的Span、RBW和参考电平(RELV)等。在噪声功率测量环节，测试系统将首先关闭N5182A输入，然后测量双音频点和交调频点处的噪声功率，同时根据当前RBW计算频点噪声功率密度并记录保存。在波形下载环节，测试系统将根据参数设置而计算产生双音波形数据并下载至N5182A中，同时开启ARB功能并设置好采样时钟。在功率扫描环节，测试系统将根据用户设置的扫描范围和点数对射频电路进行功率扫描；扫描过程中，测试系统将首先设置双音信号功率，然后依次利用新型功率检测技术对射频电路输出双音分量和交调分量功率进行检测；功率检测流程如图5(b)所示，其利用N9010A的标记功能(Mark)进行功率测量，而每次测量都必须对测量结果进行参考电平和噪声阈值判断，并根据判断结果调整N9010A的设置，以保证测量的精确性。当功率扫描结束后，测试系统将根据用户设置要求打印测试数据，以便用户进行数据分析。

图4　测试系统可视化软件界面

(a)测试系统软件流程图

(b)功率检测步骤流程图

2．3测试系统功能验证

该课题是作为射频收发机芯片项目中配套子课题而研发的。为验证系统功能，利用测试系统对项目设计中的射频前端电路进行了接收交调测试。测试从激活测试开始到最终数据输出完毕的整个过程都不需要人工操作，而测试时间不到2 min．最终将测试数据输入到Matlab软件中进行了处理并绘图，测试结果如图6所示。根据测试结果可以看出，接收机射频前端增益约为26 dB，IIP3约为-20 dBm，IIP2约为4 dBm；测试结果与电路仿真结果相近，从而验证了文中自动测试系统的准确性。

3　结束语

文中在分析射频电路非线性和交调特性的原理上，提出了一种射频电路交调特性的快速自动化测试系统。对测试系统的双音信号产生原理和自适应功率检测原理进行了分析介绍，并对测试系统的硬件平台结构和软件设计实现进行分析介绍。最后利用本测试系统对接收机射频前端进行了交调特性测试，测试结果与预期相符，验证了该测试系统具有快速、精确和自动化等优点。

图6　实际接收机射频前端交调测试结果

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