射频技术 - 接收机测试

开发无线系统的要求非常苛刻，不但具有严格限制，还要进行大量的权衡取舍。性能、成本和上市时间都有改善或提升需求。针对射频测试，无论是元器件、子系统还是完整的无线系统，您都会遇到一些棘手的难题。为此，本文提供了具有针对性的射频技术解决方案，帮助您在开发无线接收机时轻松应对五大基本挑战：

– 控制噪声系数
– 优化相位噪声性能
– 抑制功耗
– 精确地测量射频功率
– 生成各种复杂的信号射频技术 - 全面控制接收机的噪声系数

噪声，尤其信噪比（SNR），是无线接收机中的一个基本问题。高噪声电平会限制系统的容量、覆盖范围，以及许多对系统运营商和终端用户都有重大影响的相关特性。在某些情况下，可以通过增加发射功率来改善 SNR，但却经常受到法规和功耗方面的限制。由于涉及成本、可用功率和空间问题，设计人员在大多数情况下都要非常谨慎地控制好接收机的 SNR。

他们通常会根据每个模块的性能目标/“性能预算”来控制 SNR，从而优化无线系统的噪声性能。对所有模块来说，有效的噪声性能取决于它（与增益相比）增加了多少噪声；因此正确的衡量方法就是：计算每个模块的输入/输出之间的 SNR 到底有多大差别。这种比值的比值用对数表示就是噪声系数。

若想优化噪声性能，就必须能够精确地测量元器件和子系统的噪声系数。最好是在接收机的设计阶段可以足够方便地随时进行这些测量。

进行理想的噪声系数测量

测量噪声系数通常有两种方法：Y 因子法和冷源法。

Y 因子法是针对射频和微波频率最常用的方法（图 1）。使用这种方法时，需要在 DUT 输入端连接一个可开关且已校准的噪声源，再为输出端连接一台噪声系数分析仪或信号分析仪；然后分别测量这两处的噪声，计算二者的噪声比。

接下来，在噪声源接通（“热状态”）和关断状态下直接对其输出端进行校准测量，然后测量DUT 的增益。

图 1. 使用 Y 因子法时，二极管是噪声源的核心元件。通过把它驱动到“雪崩”状态，从而产生一个已知的噪声功率量。这个二极管不是可靠的 50 Ω 阻抗，因此通常还会为它连接一个衰减器，以使它与我们预想的50 Ω 被测器件之间的阻抗匹配得到改善。

冷源法需要用到矢量网络分析仪（VNA），我们通过一个 2 端口连接将其连接至 DUT。这种方法不需要单独的噪声源，只需与 DUT 建立单线连接就足以完成整个测量。

这两种方法均可对接收机设计进行精确测量，并且都面临一定测量条件的挑战。这些挑战通常表现为两种形式：对误差源进行精确补偿；以及区分接收机噪声和 DUT 噪声。在本应用指南中，我们仅限定把放大器作为 DUT 进行讨论。

选择射频测量方法

冷源法，尤其是在下述不利条件下进行测量时，可以提供最精确的测量结果。它非常适合毫米波频率测量，或者当被测器件的输入/输出匹配极差的情况。最差情况是指，DUT 的阻抗与仪器、线缆和附件的 50 欧姆理想阻抗之间相差过大。

网络分析仪 的矢量校准技术能够处理测量配置中多种可能的失配误差。它可以在噪声系数测量中减少这种通常最大的单一误差源。阻抗失配会导致错误的功率测量值，进而直接影响噪声系数计算。

常见的失配来源包括：晶圆、探头或夹具（或任何类型的非同轴连接）；DUT 与噪声源或分析仪之间的失配；测试系统的信号转换。当频率增大时失配情况通常会有所减轻。因此一般而言，冷源法是最好的测量毫米波频率的方法。

不过在实践中，尽管大多数噪声系数测量是在射频和微波频率上进行的，也都支持同轴连接，并且噪声源、分析仪和 DUT 之间具有合理的阻抗匹配。但是，对于这些测量，出于成本和便捷性方面的考虑，许多射频工程师还是会选择 Y 因子法。Y 因子法得益于信号分析仪是工程师们用起来最方便的仪器； 而且它们比 VNA 价格低，在测量精度和测量成本上能够提供很好的性价比。

时刻谨记这些权衡，重要的是要花些精力关注那些会让测量更加困难、或者会大幅增加误差的不利条件：

– DUT 的增益较低和噪声系数很优异的情况：此类 DUT 产生的增量噪声会极少。它们会在分析仪的输入端产生很难被精确测量的信号，因为这些信号非常接近于分析仪自身的本底噪声。

– 传导干扰或辐射干扰：对那些因传导干扰或辐射干扰而产生的功率，分析仪没有能力把它们分离出来。若有可能，应该在有屏蔽隔离的保护壳内进行测量，尽量远离手机和网络，并且不用电池供电。

– 使用了适配器和复杂的布线或者导线太长：布线电缆和适配器会损害阻抗匹配，并且减弱所提供或所测得的噪声功率。一种很经济的措施就是采用定制化的布线方案。这样可以提高测量性能，减少误差，并且避免使用适配器或增加线缆长度。

– 校准与测量连接异常：定期维护布线和连接器；另外，使用正确的接线技巧（包括适当的扭矩）也很重要。

– 器件在测试期间出现温度变化和漂移：在测量噪声系数和计算不确定度时，都是假定参数是固定不变的。因此，在校准之后或测量过程中，任何漂移（或其他变化）都会对最终精度造成直接影响。

最后，外部或内部的前置放大器可改善测量仪器的本底噪声，从而改善噪声系数的精确度。前置放大器必须在测试频率内具有极低的噪声系数才会有所裨益。

优化相位噪声性能，实现密集的星座图和窄信道间隔

相位噪声是接收机中的一个普遍问题，它可能会以各种方式降低性能。特别是在解调过程中，它会扭曲 I/Q 符号的位置，在 OFDM 系统中造成载波间干扰，进而使解调出现误差。相位噪声还会影响信噪比（SNR）。通常只有一小部分的相位噪声会出现在接收机输入端的信号中，而更多的部分则不可避免地会被添加到了后续的降频环节。

在载波偏置较小时相位噪声会大幅增加。如您所料，这种效应在较窄的载波间距内，其后果会更严重。而在当下为了提高频谱效率，很多无线系统都采用 OFDM 物理层，子载波间距变得越来越窄。

较窄的子载波间距会增加与特定的相位噪声量相关的问题；然而，要想解决这种问题，只靠简单地减少接收机中的振荡器或合成器的相位噪声并不实用。若想在总体上减少相位噪声，通常需要耗费巨大的资金成本，并且需要更多的功率或物理空间。幸好，OFDM 系统借助子载波追踪充分打开了解决这个难题的空间。OFDM 解调器会持续追踪已知的“导频”子载波和嵌入到发射信号中的符号，并且基于这一信息实时校正一定数量的相位噪声。

设计接收机时的很大挑战在于，我们需要了解上述追踪的有效性，进而了解设计中允许的最大相位噪声量，并且以此来优化接收机的性能、成本和电池寿命。

控制测试系统中的相位噪声

一些信号发生器生成的信号具有极低的相位噪声，而且远远低于它们将要替代的器件或子系统的相位噪声。这样就可以作为非常有用的参考来帮助测量残余相位噪声，或进一步收窄排除故障的范围。然而，在对接收机进行整体优化，尤其是优化导频追踪时，信号发生器更为重要的一个作用是：生成已知的、量能适当的相位噪声，并且有效地将其分布在不同频率上。

为了生成降频转换信号链或相位噪声得到了精确减损的 OFDM 信号，Keysight 信号发生器通过实时基带处理技术，提供了相位噪声抑制能力。在大多数情况下，噪声量和频谱形状可以基于相位噪声的消隐电平（pedestal level）和消隐电平的频率分界点（起点和终点）进行设定。图 2 示出了信号发生器的相关配置界面（含目标曲线），以及信号分析仪利用相位噪声测量应用软件进行的相应测量。

图 2. 左侧是 Keysight N5182B MXG 信号发生器在增加相位噪声时使用的配置界面，界面中显示了预期的相位噪声曲线。右侧是在信号分析仪测量应用软件中显示的一个相位噪声测量实例。

评估调制质量

我们需要验证相位噪声对接收机调制质量的影响，这是另一个进行测试和系统优化的关键措施。

这个过程会用到误差矢量幅度（EVM）。EVM 是一个常见的信号减损线性测量指标。为了优化相位噪声，一个很重要的方法就是假设信号减损主要是由相位噪声引起的。这样，我们就可以直接利用导频追踪效率的理论经验：在 OFDM 子载波间距大约 10% 的偏置处，有效地“追踪到”相位噪声（例如，子载波间距为 312.5 kHz 时，位于 31 kHz 处）。（尽管“子载波间距 10%”的经验法则被认为略有保守；然而，对于估算优化效果来说，多数情况下已足够精确。）

然后对单边带相位噪声功率求积分（偏置值需要大于子载波间距的 10% 且小于信道的带宽），然后加上 3 dB，将其转换为双边带（DSB）或总功率，得到 EVM 的估计值：

EVM (dB) ≈ [SSB 相位噪声积分] + 3 (dB)

此处，对 SSB 相位噪声求积分的起点是子载波间距的 10% 处，并且一直延伸至信道的全部带宽。

在图 2 中，功率积分值是由测量应用软件中的频带功率游标求得的。在为 –29.35 dBc 的游标读数增加 3 dB 之后，误差矢量幅度（EVM） 结果是 –26.35 dBc。对于优化 OFDM 系统和其他复杂设计来说，这个生成减损信号并验证其对接收机的影响的闭环流程，是一种非常强大的措施。

在确保信号质量的同时抑制功耗

传统的移动设备都需要频繁充电。因此，优化功率管理有助于提高客户满意度和增加竞争胜算。相应地，电源的物理尺寸和重量必须符合设计目标。

大多数便携式设备是用容量有限的可充电电池供电，因此存在低功耗运行的需求。特别是，电池和功率转换器通常具有较大的输出电阻和有限的动态功率性能（表现为电压或电流转换率）。使用具有额外容量的标准实验室电源时，有可能会掩盖一些潜在问题。鉴于电池、电源或功率转换器的局限性，就需要在瞬时功率和总功率与射频性能之间找到平衡。

这种平衡对于功能性和竞争力极为重要。例如设备的尺寸、重量和电池寿命，这些都是影响客户偏好和竞争优势的关键要素。

在快速发展的物联网（IoT）设备领域还有特殊的挑战，尤其那些需要不时地与主机或其他设备交换少量数据的设备。这些设备通常采用小型的原电池供电，而不是使用可充电电池或交流电源，电池更换周期长达数月或数年。家用设备的例子包括恒温控制器、运动传感器、照明开关和报警传感器。

低功耗在实际运行中的至关重要。然而，射频工程师还面临由超低功率静态模式带来的另一层挑战。了解静态功耗以及管理睡眠状态与实际运行之间的过渡，对于实现客户期待的极长的维护或更换间隔至关重要。

把握功耗中的权衡

要想实现可靠、高功效的运行，尤其在低功率电平或极低功率电平下，就会需要更多工程方面的权衡和进行相关的测试。无论您关注的是设备还是子系统，都要以了解其实际功耗为起点。而结合了多个直流电源和详细功率测量的直流功率分析仪是一个非常便捷的解决方案。这款比较新的产品更容易让我们了解功耗的细节（图 3 和图 4）。

图 3.（左侧）示波器视图显示的是 30 毫秒的动态电流消耗，（右侧）数字记录器视图显示的是 30 秒的动态电流消耗。此类测量有助于更全面地了解设备或子系统的真实功率需求。

图 4. 直流功率分析仪正在进行动态功耗分析，以便详细了解电池消耗和电源需求。

与功耗相关的挑战分为长期和短期两种，两种都必须得到解决。功率分析仪的各种时域（示波器）测量有助于了解电能需量变化，尤其是帮助了解会快速消耗设备电能的峰值功率。从另一个角度来看，数据记录器或带状图可以显示较长时间内（通常是几秒或几分钟）的功率需求。在设计电源、转换器和电池时，表征整体功耗通常需要这些测量。这些测量还有助于了解（例如）有具体热预算的子系统或组件的功耗。

仿真电压和电流曲线

基于上面的介绍，下一步就是如何进行权衡，以便用最小的空间和成本进行充足的供电。相关工具包括这样的电源，它必须能够精确地提供具有一定限制的功率输出，以便满足实际需要。这些电源允许工程师在裕量方面做出权衡，确保足够的性能，并且不会让电源尺寸过大（图 5）。

图 5. 是德科技的低噪声电源可以仿真许多电源的直流电压和电流的输出特性，从而在有限的功率条件下洞察真实情况。

Keysight B2961/62A 低噪声电源等产品提供真实的输出仿真，包括可编程的输出电阻、极低的电流值和极低的噪声。这些电源可以在电压/电流仿真模式下运行，对于为 ADC、DAC、RFIC、VCO 传感器/转换器和晶体振荡器供电十分有用。仿真模式可以借助电压/电流点图进行配置；完成配置之后能够仿真太阳能电池等设备。

测量和分析极低的电流电平

在便携式设备中，若要以极低的功率实现扩展操作，可能会需要某种形式的功率调度，以避免瞬时数字和射频活动造成过大的功率需求。为了表征这种情形，就会用到能够在宽带宽条件下测量低电流的仪器，还要结合使用外部电源或系统自己的电源。Keysight 器件电流波形分析仪正是适合这种情形的仪器，它是直流功率测量中另一种比较新的解决方案。该分析仪通常会与适用于被测电路的模拟探头配合使用；它也可以配备数字探头，以便协调测量功率和器件控制活动（图 6）。

图 6. 器件电流波形分析仪具有模拟和数字输入，可以匹配相应的分析。数据总线状态与电流消耗关联之后可以触发其他测量，比如射频或矢量信号分析仪的相关测量。

在进行上述测量时，分析仪的 200-Mhz 带宽捕获到了可能让电源过载甚至会损坏电路的瞬态电流。数字探测提供测量触发，深度存储器允许在触发以外的其他时间查看捕获的电流波形。器件电流波形分析仪在进行上述测量时，分析仪的 200-Mhz 带宽捕获到了可能让电源过载甚至会损坏电路的瞬态电流。数字探测提供测量触发，深度存储器允许在触发以外的其他时间查看捕获的电流波形。

在某些器件中，无论在任何阶段、任何充电状态或设计配置下都可能会影响射频性能。因此，足够的直流功率关系重大。射频功率和失真是系统直流功率限制的逻辑结果，但也存在其他可能的效应，包括更多的调制误差。通过对射频测量、瞬态直流功率和系统数字化操作进行耦合，可以实现强大的优化和故障排除能力。这种能力在发射或接收过渡期间内、在多种无线操作以及繁重的 DSP 活动期间尤为适用。

器件电流波形分析仪针对码型、状态和毛刺进行触发的能力能够很好地匹配矢量信号分析仪的信号捕获、回放和后处理功能。在按顺序进行的通用测量流程中，第一步是从器件电流波形分析仪的触发功能开始的，首先从这里产生外部触发，激活单个测量或通过矢量信号分析仪 进行信号捕获。然后再利用正时延或负时延（前置触发），将电压或功耗测量（以及相关的毛刺或其他问题）与射频功率、频谱或调制质量测量相匹配。

对复杂信号进行全面、精确的射频功率测量

在开发和生产的各个阶段，精确的功率测量都是至关重要的；这样的测量往往要在时变信号上进行实施。出现问题的信号有可能是整个发射机的输出信号，也可能会是发射机或接收机中单独器件或子系统的输入或输出信号。

在无线系统中，许多射频信号与噪声很相似，这就必须要在指定的频段或通道上测试功率电平。

在这些情况下，为了得到精确、可复现的测量值，要求我们在一定频率范围内对测得功率求积分，然后求取积分结果在时间上或多个信号猝发上的平均值，或同时求取在时间和信号猝发上的平均值。

功率计和信号分析仪均可用于无线测量，并且各有不同的优势。接下来，我们分别探讨一下。

选择合适的工具：功率计

功率计价格较低并且比较精确，能够提供出色的频率范围和源匹配。有些功率计可以更换功率传感器，它们可提供极宽的频率覆盖范围，同时保持较好的阻抗匹配，这对提高测量精度非常有益。在发射机框图的不同测试点上，或者在单独模块上都可使用功率计，用以对增益器件、衰减器或频率转换器进行表征。有些功率计擅长测量峰值功率，从而有助于表征时变信号、动态器件、热现象或电源相关效应（图 7）。

图 7. 很多功率计都可以测量功率随时间的变化，而且计时参数是可选的。这条迹线是对 LTE 信号子帧的测量结果，测量时采用了猝发平均功率设置。

功率计的一个局限性主要体现在它的宽带特性上。宽带响应意味着它可能无法精确地测量大信号附近的低电平信号，并且它的基础幅度比较高，会影响精确测量。功率计作为宽带设备，无法通过窄带测量滤除宽带噪声、杂散信号和干扰等。

选择合适的工具：信号分析仪

对于高电平的独立信号而言，信号分析仪的功率精度要比功率计略逊一筹。然而在射频发射机测试方面，分析仪更具优势：无论表征整个发射机，还是表征具体的子系统。

在测量无线系统的功率时，信号分析仪的主要优势在于频率和时间的可选性，不但单独可选，而且组合可选。由于频率可选，即可支持针对通道或频带的功率测量，比如 ACPR（图 8）。这种可选性还能从测量结果中有效地减少宽带噪声功率（本底噪声），从而提高测量精度和动态范围，特别是针对小信号或接近本底噪声的信号。

图 8. 在无线系统中，邻道功率比（ACPR）是一种常见的功率和失真测量指标。测量软件会自动配置和比较主通道与相邻/替代通道的测量值，并以图形和表格形式呈现测量结果。

与峰值功率计相比，在功率随时间变化的测量方面，信号分析仪具有更大的时域可选性。事实上，信号分析仪针对功率测量的一个主要用途就是在单个通道中对功率随时间的变化进行选择性测量，以便揭示该通道在信号猝发时的动态功率特性，或者揭示信号帧的动态功率特性。

使用测量应用软件处理复杂任务

针对特定的通道间隔和功率限值，非常有必要对相邻和替代通道的多种带宽进行对比测量。测量软件可以轻松处理以下挑战：

– 随着信号发射间隔的变化，信号功率和统计数据也在改变。因此，有必要测量发射机的信号猝发或特定部分的信号帧。OFDM 信号中的训练序列就是这样的例子，其中的功率和计时都有明确的规定。

– 平均类型和检波器需要兼容并且保持一致，否则会产生不一致和不可预测的（即，不可复现的）测量结果。

– ACPR 测得的部分失真可能会在容限范围内，而在器件的不同阶段可能还会要求不同的限值。

生成各种复杂的信号

无线移动数据和语音业务都在持续要求更大的通道容量，而无线局域网通常也是如此。为了满足这些需求，设计人员使用了多种技术。这也让射频工程师在接收机测试和信号生成方面遇到了更多挑战。具体示例包括复杂的调制类型、帧结构和多路复用机制。仅从多载波机制和多通道扩展来看，就会显著增加复杂度，比如 MIMO 和载波聚合。

这些方法的复杂程度已经达到甚至超过了所适用的监管标准和法规。在测试元器件、子系统和接收机时，想要可靠地生成完全兼容的信号正在变得愈发困难。对于许多无线系统（如射频和微波信号发生器）来说，面对这样的复杂度以及对动态变化和非重复性信号的需求，它们必须要引入专用软件。

信号发生器可以单独执行许多接收机测试方面的任务。它们可以替代振荡器和合成器，生成各种连续波（CW）、调制干扰和闭锁（blocking）信号。某些发生器还内置了矢量任意波形、深度存储器和大调制带宽能力。这样，通过与应用软件相结合，信号发生器就是生成复杂的标准一致性信号的理想平台。

例如，Keysight信号发生器可以配备几十款 Keysight Signal Studio 软件产品。其中大部分软件都支持日益复杂且不断增多的无线数据和无线网络标准。

Signal Studio 软件的基本功能是进行元器件和发射机测试。它们可以生成各类信号，用以测试ACPR/ACLR、EVM、信道功率和占用带宽。针对接收机，还有更多先进的功能可用于测试灵敏度、选择性、互调和闭锁。Signal Studio 软件提供了经过验证的标准一致性信号，以及预定义的测试设置。信号都已针对 ACPR 和 EVM 进行了优化，可用于多载波和多制式测试。

尽管我们可以把一些数据下载到信号发生器的任意波形存储器，从而生成很多信号，但某类型的些接收机测试还是需要实时生成信号。比如 LTE 系统需要的闭环 HARQ 和定时调整测试。Signal Studio 软件的先进功能可以帮助生成经过完整信道编码的信号，让您轻松进行接收机比特位/信息块/数据包/误帧率分析（图 9）。

图 9. Signal Studio 软件的先进功能配合矢量信号生成器，能够生成经过完整信道编码的信号，从而轻松验证接收机的真实吞吐量。

标准的快速演进，为现代无线信号带来了持续挑战。基于标准的信号生成软件的优势就在于：它们通过更新和再验证，能够始终与最新标准保持同步。

结论

从直流到射频，再到微波甚至毫米波频率，无线系统的设计和测量面临重重挑战。最好的办法就是把您的经验、洞见和创意融入到信号发生器和测量软件。这样，您将能够轻松创建所需信号，从而高效地测试您的 DUT。