獨立數(shù)字射頻前端測試系統(tǒng)的設(shè)計

楊波，閆旭鵬，吳英迪，劉梅

（中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室，北京 100045）

0 引言

5G時代，隨著處理器性能的日益提升和通信協(xié)議對配置靈活型要求的逐步提高，通信信號處理“軟件化”的趨勢逐漸顯現(xiàn)[1]，很多新形態(tài)的通信系統(tǒng)都對設(shè)備中基帶信號處理部分和射頻部分提出了解耦的要求。數(shù)字射頻前端逐漸分離出來，成為了一個獨立的模塊，主要負責射頻信號和數(shù)字基帶信號的相互轉(zhuǎn)換。近年流行的軟件無線電解決方案，例如USRP[2]、BladeRF和HackRF[3]等，均可以理解為在此類模塊基礎(chǔ)上的拓展。其中，2013年和2016年，ADI推出了集成捷變RF收發(fā)器AD9361/9371，將射頻和模擬前端集成到一塊芯片中，并同時具備了寬頻段、多天線、高動態(tài)范圍等優(yōu)勢，逐漸成為了獨立射頻前端的行業(yè)標桿，大量研究者在這一平臺上開發(fā)產(chǎn)品或開展研究[4-6]。USRP的部分后續(xù)版本，也在其基礎(chǔ)上構(gòu)建。

在此背景下，數(shù)字射頻部分很可能將形成獨立中間產(chǎn)品，成為最終通信設(shè)備的組成部分。由此，針對獨立射頻模塊的測試需求應(yīng)運而生。然而，現(xiàn)有針對射頻系統(tǒng)的測試方法均針對完整設(shè)備和系統(tǒng)制定，高度依賴于基帶部分的調(diào)制、編解碼等計算能力[7-8]。針對沒有基帶處理能力的系統(tǒng)，目前尚沒有完整的性能體系和檢測標準。同時，測試射頻性能的實驗室往往對數(shù)字基帶信號體系不熟悉，也沒有相應(yīng)的儀表配備。本文通過對獨立射頻模塊結(jié)構(gòu)原理的分析，總結(jié)梳理了數(shù)字射頻模塊的主要性能和測試指標，并構(gòu)建了相應(yīng)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對相應(yīng)性能指標的測試。

1 數(shù)字射頻模塊結(jié)構(gòu)和性能指標

通常來說，除了特定應(yīng)用中需要的通道切換、濾波等功能之外，數(shù)字射頻前端包括了數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號的轉(zhuǎn)換、射頻載波生成、混頻、放大等部分。整體的代表性結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，頻率綜合器負責從參考時鐘產(chǎn)生本振信號，決定了信號的載波頻率的精度和準確度；ADC/DAC的位數(shù)和誤差決定了模擬和數(shù)字信號的精度；濾波器主要用于抑制雜散和諧波；混頻器的線性度決定了調(diào)制的準確性；射頻放大器和低噪放位于射頻側(cè)，會分別影響輸出射頻信號的質(zhì)量和進入混頻器的接收射頻信號的質(zhì)量。值得一提的是，圖1只是一個代表性的結(jié)構(gòu)，在部分專用系統(tǒng)中，可能會省略部分放大器/濾波器，或加入部分信號切換和耦合路徑等。

數(shù)字射頻前端的功能是數(shù)字基帶信號和射頻信號之間的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字基帶信號通常遵循通用的數(shù)字信號標準，其測試意義并不顯著，針對射頻性能和信號轉(zhuǎn)換精度的考察是測試的重點。遵循射頻測試的一般規(guī)律，其主要的測試指標可以劃分為三個部分：發(fā)射性能、接收性能和其他性能。

發(fā)射機性能著重考察信號調(diào)制和射頻輸出能力，其主要測試項包括發(fā)射功率、增益調(diào)節(jié)（范圍、準確度）、帶內(nèi)平坦度、ACLR、EVM和雜散和諧波等，主要用以考察DAC的準確性、信號發(fā)射鏈路上各器件的線性度、混頻器的正交性。

接收機性能著重考察射頻接收、抗干擾能力和信號的解調(diào)能力，其主要測試項目包括接收機靈敏度、接收信號動態(tài)范圍、接收信號EVM、帶內(nèi)/帶外干擾等，主要考察信號接收鏈路上各器件的線性度、濾波器性能、ADC的速度/精度。

其他項目考察系統(tǒng)中的其他部分，比如頻率綜合器以及專用系統(tǒng)中其他設(shè)置的性能以及響應(yīng)時間等。

2 測試方法難點

圖1 數(shù)字射頻模塊的整體結(jié)構(gòu)

參考一般射頻設(shè)備的測試方案，對于獨立數(shù)字射頻模塊，在其發(fā)射機的測試中，應(yīng)當由測試設(shè)備產(chǎn)生數(shù)字基帶信號發(fā)送給被測模塊，并測量其射頻輸出的信號質(zhì)量；在其接收機測試中，應(yīng)當由測試設(shè)備產(chǎn)生射頻信號發(fā)送給被測模塊，并測量其數(shù)字信號的輸出。然而，傳統(tǒng)的射頻測試系統(tǒng)并不能實現(xiàn)這一方案。一是傳統(tǒng)的射頻測試系統(tǒng)通常無法產(chǎn)生基于標準數(shù)據(jù)的數(shù)字基帶信號，或直接針對數(shù)字基帶信號進行分析；另一個問題是，由于獨立射頻模塊并不處理信號的“內(nèi)容”，無法使用傳統(tǒng)接收機測試項中的誤包率（PER）作為評判依據(jù)。

針對第一個問題，需要在測試系統(tǒng)中增加支持相應(yīng)功能的模塊。可以選用的兩種方法包括：

利用儀表提供的模擬基帶接口，配合高速ADC/DAC進行測試可以通過外加的高速ADC/DAC板卡實現(xiàn)數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號的實時轉(zhuǎn)換，再通過信號源和信號分析儀的模擬基帶接口，實現(xiàn)和儀表基帶處理部分的直接連接，如圖2所示。由于模擬基帶接口通常包含在儀表的原始配置中，這一方案成本較低且靈活度較高，但需要根據(jù)需求，自行開發(fā)測試接口模塊。

圖2 使用儀表模擬基帶接口的測試方案

如圖3所示，利用儀表廠家提供的高帶寬數(shù)字基帶接口功能和轉(zhuǎn)換模塊進行測試Keysight，R&S等儀表廠家均配備有支持高帶寬的數(shù)字基帶接口模塊，可以把信號源生成的信號以數(shù)字基帶的形式發(fā)出，或?qū)⑼獠扛鞣N格式的數(shù)字基帶信號實時引入信號分析儀進行分析。這樣的方法成本較高，方案依托于儀表廠家，靈活度較差，但是能夠獲得較高的精度和速度。

圖3 為儀表添加數(shù)字基帶模塊的測試方案

在我們的實踐中，我們使用Rohde &Schwarz公司的數(shù)字基帶模塊EX-IQ-Box[9]，配合射頻信號分析儀FSW以及信號源SMW，構(gòu)建了滿足數(shù)字射頻模塊測試要求的測試系統(tǒng)。EX-IQ-BOX用于轉(zhuǎn)換信號格式和電平標準，以適應(yīng)不同被測設(shè)備的接口規(guī)范。整體測試系統(tǒng)如圖4所示。

針對在接收機測試中無法使用PER作為判定依據(jù)的問題，可以在接收機測試項中，選用對原始數(shù)據(jù)解調(diào)結(jié)果的原始誤碼率（BER）作為評判依據(jù)。由于測試中難以在原始數(shù)據(jù)流和解調(diào)結(jié)果之間同步，使用了PRBS序列作為數(shù)據(jù)源進行測試，這樣，即使在無參考的情況下，信號分析儀依然可以計算和統(tǒng)計接收到信息的誤碼率。實際測試中，PRBS序列的階數(shù)應(yīng)根據(jù)被測系統(tǒng)所使用的編碼及調(diào)制方式進行選擇。與傳統(tǒng)使用PER作為判定依據(jù)的方法類似，在測試中通常根據(jù)實際的調(diào)制/編碼方案規(guī)定PER上限，并依據(jù)此上限測量被測設(shè)備的極限性能。

圖4 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 測試系統(tǒng)驗證

在構(gòu)建完成的測試系統(tǒng)中，主要針對與傳統(tǒng)射頻測試系統(tǒng)的差異，即數(shù)字基帶信號產(chǎn)生和解調(diào)，以及PRBS原始數(shù)據(jù)進行誤碼率分析和計算的功能進行了驗證。

使用示波器的邏輯分析功能了數(shù)字基帶信號輸出功能的驗證。實驗中，在矢量信號源中設(shè)置一個符號為全“1”的2FSK信號，其頻率偏移為1 MHz。在射頻上，此信號應(yīng)為較載波頻率高1 MHz的一個CW（連續(xù)波）信號。在基帶上，此信號I、Q兩路應(yīng)為相差π/4，、頻率為1 MHz的正弦波。通過矢量信號源的數(shù)字接口及數(shù)字基帶接口模塊，將這一信號的數(shù)字基帶發(fā)出，并使用示波器的邏輯分析功能測量數(shù)字總線上的信號。受限于邏輯分析儀的位數(shù)，實驗中I、Q通道的高、低字節(jié)是分別驗證的。圖5顯示了在邏輯分析儀D7-D0位接入I路高8位信號、D15位接入100 MHz的采樣時鐘時的分析結(jié)果，其上半部分為各bit隨時間的變化，下半部分為從數(shù)字信號還原出的模擬信號。從圖上可以看出，數(shù)字總線的輸出確為1 MHz正弦波對應(yīng)的數(shù)字信號。實驗證明，測試系統(tǒng)中的信號生成部分能夠合理輸出并行數(shù)字基帶信號，供獨立數(shù)字射頻前端測試使用。

圖5 數(shù)字基帶信號輸出能力驗證結(jié)果

在數(shù)字輸出信號得到驗證的基礎(chǔ)上，使用矢量信號分析儀，配合矢量信號分析軟件進行了對輸入數(shù)字基帶信號分析和誤碼統(tǒng)計能力的驗證。直接連接矢量信號源和矢量信號分析儀的數(shù)字接口，由矢量信號源產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)來源為標準PRBS序列的64QAM調(diào)制信號。將矢量信號分析儀的信號輸入選為數(shù)字基帶輸入，正確設(shè)置信號解調(diào)的參數(shù)、每一次參與BER計算的符號數(shù)和重復(fù)測試的次數(shù)，儀表將能夠依據(jù)這些參數(shù)計算輸入信號的當前、最高、最低和累計誤碼率指標。當前誤碼率指的是最近一次截獲的數(shù)據(jù)中的誤碼率情況；最低和最高誤碼率指多次重復(fù)測試中，誤碼率最低和最高的測試結(jié)果；累計誤碼率指的是多次重復(fù)測試完成后，總體的誤碼率情況。

實際實驗中，測試用原始數(shù)據(jù)為PRBS15序列，每次記錄和驗證8 000個符號，即考察48 000個bit的誤碼率情況，并不斷重復(fù)試驗累計其結(jié)果。由于數(shù)字信號中幾乎不存在噪聲和干擾問題，為了能夠測出一定的誤碼率，實驗中使用矢量信號分析儀的AWGN（加性高斯白噪聲）功能，人為在數(shù)字基帶信號中加入一定水平的高斯白噪聲，再送入矢量分析儀進行分析。圖6（a）、（b）分別給出了在被測信號信噪比（SNR）為30 dB和26.5 dB條件下的信號分析結(jié)果。

圖6 SNR為30 dB和26.5 dB條件下的信號分析結(jié)果

在圖6中，上半部分窗口1、2、5分別為信號解調(diào)的星座圖、EVM情況和誤碼率情況的統(tǒng)計，下半部分窗口3、4分別為采集到的時域IQ信號，以及最后解出的原始數(shù)據(jù)。可以看到，在SNR為30 dB和26.5 dB情況下，信號的EVM RMS值分別在3.02%左右和4.53%左右，在噪聲為AWGN的情況下，可以估算[10]出3.02%的EVM對應(yīng)誤碼率約在1.45×10-13范圍，即幾乎無法檢出；4.53%對應(yīng)的誤碼率約在4.24×10-7量級。從圖7中可以看到，在3.02%的平均EVM下，超過1×109個bit中未檢測到誤碼；而在4.53%的平均EVM下，超過1×109個bit的測試中，誤碼率為5.381×10-7，基本符合預(yù)期。可以認為，這樣的測試系統(tǒng)能夠?qū)?shù)字基帶信號實現(xiàn)正確的誤碼率檢測。

由此可以證明，文中所述測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)字射頻模塊測試所需射頻信號及標準數(shù)字基帶信號的生成和處理，從而實現(xiàn)獨立數(shù)字射頻模塊的性能測試。

4 結(jié)論及后續(xù)工作

為應(yīng)對獨立數(shù)字射頻前端的測試需求，本文分析了這一模塊可能涉及的射頻測試項目和測試方法，并構(gòu)建了相應(yīng)的射頻測試系統(tǒng)。驗證性實驗證明，這一測試系統(tǒng)能夠測試方法中所需要的標準數(shù)字基帶信號輸出、對數(shù)字基帶信號的解調(diào)及誤碼率統(tǒng)計等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)針對此類被測設(shè)備性能的完整測試。在此基礎(chǔ)上，針對各指性能標具體測試例的流程和參數(shù)選擇，將是下一步研究的重點工作。