寬帶測量技術白皮書

作者：時間：2017-01-04 來源：網絡

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1.復雜電子系統的發展及其測量需求

典型的復雜電子系統主要有：寬帶雷達，捷變頻電臺，電子對抗，寬帶無線通信，衛星通信等系統。
射頻微波電路是復雜電子系統的重要組成部分，主要完成發射和接收信號的功率控制和頻率搬移，對整個電子系統靈敏度，動態范圍等指標有決定性的影響。典型的射頻微波電路包含天線，放大器，濾波器，頻率合成器，傳輸線等有源和無源電路。隨著系統功能和性能要求的提高，電子系統對這些射頻微波電路的要求越來越高，帶寬要求越來越寬，很多系統要求500MHz或1GHz以上的帶寬。
高速數字電路是復雜電子系統的另一重要組成部分，主要完成復雜信號的生成，復雜信號的處理，大數據量和高速信號的傳輸，對整個電子系統工作速度，機動能力，工作可靠性等都有關鍵性的影響。典型的高速數字電路包含FPGA和DSP電路，高速接口器件，工業標準總線，高速電纜/光纖和高速背板等互連電路。隨著系統功能和性能要求的提高，電子系統對這些數字電路的要求越來越高，信號速率從3Gbps量級正向著10Gbps量級邁進。
對復雜電子系統的測量涉及最新的儀器技術和測量方法，總體歸類表1所示。

表1 寬帶電子系統的測量需求和儀器方案

下面展開分別介紹這4個部分。

2.寬帶信號的產生

寬帶儀器產生寬帶信號的框圖如圖1所示，系統包括：信號產生工具，任意波形發生器，寬帶矢量信號源。
信號產生工具用來產生復雜的寬帶信號，把這些信號數據下載到任意波形發生器中。任意波形發生器產生基帶IQ信號，通過矢量信號源的外部IQ調制，最終通過信號源的RF端口輸出。

圖1 寬帶信號產生框圖

寬帶儀器產生寬帶信號的考慮因素參考表2。對于信號產生工具，主要考慮其是否能夠產生足夠復雜的信號，以滿足測試需求。最好工具具備仿真的能力，可仿真復雜環境下的數據。同時最好支持各種前期經過設計和驗證的庫，比如雷達庫，通信信號庫，導航庫等，這樣可以快速和標準化的產生各種復雜信號。SystemVue就是可以滿足這種要求的信號產生工具，具備復雜系統的仿真設計能力，技術專家已經設計好了許多庫，滿足各種信號產生的要求。
對于任意波形發生器，要求具備足夠的帶寬，足夠的存儲深度，同時具備足夠的硬件性能。任意波形發生器的關鍵器件是DAC，足夠高性能的DAC是確保任意波形發生器高性能的關鍵。一般需要12位以上，具備足夠的采樣速率，無寄生動態范圍大，諧波失真小，噪聲本底小。噪聲本底很關鍵，因為很多復雜信號要求儀器噪聲本底小于-140dBm/Hz，使得經過校準或數字預失真后，信號波形質量能夠滿足測試要求。
對于矢量信號源，首先要求保證帶寬和保證信號質量。所以一般不用上變頻處理的手段，因為其難以保證信號質量。用上變頻器的手段的問題主要體現在鏡像較大（無法通過校準處理掉），動態范圍有限（混頻器的非線性行為導致）。所以，最好使用寬帶調制器的方式實現寬帶信號產生的目的。另外，還需要考慮矢量信號源的信號載波頻率范圍，信號載波功率調整范圍等因素。

表2 寬帶信號產生的考慮因素

常用的信號產生工具如表3所示，可選用ADS/SystemVue仿真設計軟件，Matlab工具軟件，或儀器采集的數據。SystemVue是推薦的信號產生工具，它是一個系統級的仿真設計軟件，可提供各種復雜的模擬、數字、數模混合、編碼等仿真設計能力，可用于各種復雜系統仿真設計場合。SystemVue有各種軟件庫，如雷達庫，無線通信庫，導航庫等，可幫助使用者進行快速準確的仿真設計。

表3 常用的信號產生工具

寬帶信號產生所用到的關鍵硬件，即任意波形發生器和矢量信號源的典型技術指標如表4和表5所示。這兩臺儀器在業界的同類產品中性能指標都是最高的。M8190A可達14位和8GSa/S采樣速率，雙通道輸出，可產生高帶寬高品質的IQ信號或其他信號。E8267D的頻率可達44GHz，調制器帶寬可達2GHz，配合M8190A可產生高品質的寬帶信號。

表4 任意波形發生器典型指標

表5 矢量信號源典型指標

寬帶信號產生的另一個關鍵點是：校準或數字預失真。不論是使用寬帶儀器，寬帶器件，或自己設計的寬帶系統，校準或數字預失真都是一個必須的過程，因為寬帶儀器或器件及系統，只靠硬件性能是無法產生比較完美的寬帶信號。校準的參數和處理過程如表6所示。

表6 寬帶信號產生中的校準內容和校準過程

圖2是頻響校準的實例，由寬帶儀器產生100個音的多音信號，用頻譜分析儀自動測量每個音的功率，形成校準表，通過軟件修正后，輸出的頻響是非常平坦的，可滿足各種測量的要求。

圖2 頻響校準前后狀態

3.寬帶信號的分析

能進行寬帶信號分析的儀器主要有：
1.寬帶頻譜信號分析儀。如PXA N9030A，頻率可達50GHz（外混頻可到110GHz），分析帶寬可達160MHz（外部數字化儀可達800MHz）。N9030A還支持實時頻譜分析功能，實時帶寬160MHz，最小捕獲脈寬3.57us。
2.實時示波器。如Infiniium 90000Q，帶寬可達63GHz，采樣率可達160GSa/s，存儲深度可達2GB。使用示波器分析射頻微波信號的原因是彌補頻譜信號分析儀帶寬的不足，分析帶寬高達63GHz。同時用示波器可進行模擬IQ信號的分析，因為示波器的4個通道是相參的，而且使用探頭容易進行在線測量和差分測量。
3.邏輯分析儀。如U4154A，單模塊支持136通道，狀態速率可達4Gbps，定時速率可達12.5GHz，存儲深度可達200M/通道。支持FPGA動態探頭，支持矢量信號分析儀軟件。適合分析數字IQ，數字IF，FPGA內部的信號。

圖3 先進儀器對寬帶信號的測試和分析

儀器最基本的功能是提供被測對象的測試結果，當測試結果不滿足要求時，先進儀器提供的技術能力能大大提高故障判斷的效率，為問題的解決提供豐富的技術途徑。首先現在儀器能對被測電子系統各個關鍵節點提供獨立的測試手段，包含數字信號，基帶信號，中頻和射頻信號等，而且分析的工具能實現統一化，如圖3所示，可以利用邏輯分析儀，實時示波器，頻譜信號分析儀分別對接收機系統的數字基帶，模擬基帶和射頻信號進行測試，這些儀器采集的信號波形數據都能通過矢量分析軟件來進行分析，分析功能包含頻譜，時域和解調分析等。這樣在統一的分析環境下對數字信號，基帶信號和射頻信號的測試結果進行對比，能大大提高問題定位的效率。89601B矢量分析軟件為核心的矢量信號分析系統，可以支持全系列的邏輯分析儀，實時示波器和頻譜信號分析儀。
寬帶系統的主要寬帶測量和分析的參數如表7所示。

表7 寬帶系統主要寬帶測量參數和使用儀器

下圖4列舉了幾個典型的測試。圖中1是帶寬達2GHz的雷達信號的Chirp特征分析；圖中2是寬帶信號的頻譜測試；圖中3是接收機噪聲系統測試設置圖。

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2.寬帶信號的產生

3.寬帶信號的分析

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