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能有效测试下一代宽带设计的新测试方法

内容导读：

能有效测试下一代宽带设计的新测试方法
New test method for next generation wide band design

Credence Systems公司产品市场部经理 John Lukez

摘要：Credence的ASL 3000RF为无线器件的特性化测试带来了强有力的新工具，帮助工程师面对下一代无线器件及应用，包括802.11WLAN标准和3G移动通信服务，在技术上和经济上遇到的挑战。调制S参数以新视角来看器件性能，提供了“真实”复杂的调制信号作为测试条件。该分析方法结合有调制信号能力的网络分析技术使得S参数对于目前的宽带通讯系统更为有用。
关键词：调制向量网络分析（MVNA）;S参数;动态信号包络

1.引言
---无线通信系统进入宽带调制模式，且无线局域网（WLAN）和3G无线标准在频道带宽上的增长尤为明显。由于上述原因，设计者在器件的正弦型调制激励响应上遇到很大的分歧。传统测试技术为得到S参数，利用窄带正弦型激励信号，得到有源器件的非完整特性。调制向量网络分析（MVNA）技术能利用复杂的调制信号来测量S参数，得到更精确的器件特性。从自动向量网络分析器（VNA）引入的调制S参数分析代表了网络分析的第一大进步。Credence的 ASL 3000RF测试系统包括了上述新性能，还结合了传统的无线测量，如相邻信道功耗比(ACPR)，噪声系数和传统的正弦S参数。这些RF测量能力结合上混合信号仪器创造了完备的无线器件特性测试方案。

2.变包络信号的挑战
---由于消费市场要求更高速率的无线通信系统，无线局域网（WLAN）802.11标准的带宽压力越来越大，只有使用新的无线技术才能满足带宽的需求。移动互联网和视频应用只是无线传输的一个例子。为了满足这些需求，只有不断开发有效的调制技术。在试图保护有限频带的同时，传送大带宽的用户需求。这些调制形式的结果之一是得到变包络的信号，并且使得带宽增加。这两种趋势都使得放大器的设计越来越难，特别是要求高线性和高效率，增加了难度。
---图1显示了各种复杂调制技术产生的动态信号包络。偏离峰值和均方根（RMS）的比率被称为峰值均值（peak-to-average）比。随着调制类型的不同比率也会不同。但一般来说，调制的带宽越大，比率越高。目前的无线局域网（WLAN）系统以802.11占市场的主导地位，而无线通信的支持者们已经在讨论100MHz带宽的第四代系统了。很明显，这种有难度的设计趋势会继续发展。表1列出了普通无线通信系统的峰值均值（peak-to-average）率。

3. S参数的新困难（new twist）

---对于有源电路的设计者来说，S参数仍然代表了一个关键的起点。自从网络分析工具在上世纪70年代引入以来，它得到了很多的改进。但是它仍然依赖于窄带的正弦激励信号。S参数得到透彻的理解，从滤波器到放大器，成为各种RF和微波器件的基础。宽带通信系统的到来，使得一些现象不能用传统的正弦S参数来描述。S参数本质上是入射、反射和传输能量的比率。当S参数能上溯到其用电压或电流的定义时，在高频时测量这些量值所遇到的困难使得S参数通常都由能量比来决定。因为这些比率即使在微波频率，也可用很高的精度测量。图2描述了一个典型的两端口器件模型，对S参数的定义提供一种直观的理解。
---式1～式4是图2中两端口的S参数比率。向量网络分析器用窄带接收器（10Hz～35kHz）测量a1,b1,a2,b2信号，然后将它们相比并进行纠错来测量S参数。图3以S21为例说明了这一过程。
---在调制的S参数中，仍要应用网络分析的基本原则。两端口模型定义也是一样。比率也以同样的方法定义。但是对于待测的器件(DUT)，一般都会用复杂的调制激励而不会用简单的正弦激励。鉴于正弦型的例子，图4说明了调制S参数的比率过程。
---图4显示的比率过程，说明了调制的S参数只能在大信号能量处才能得到计算。在测量S参数时，如不考虑频道来计算比率，如只有噪声存在时，这样比率就不会收敛。所以在计算S参数比时必须考虑频道带宽。举例来说，在IS-95(CDMA)中，就要利用1.2288MHz的频道带宽。图5表明了用于调制S参数的信号处理方法。

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4.为新挑战提出的新结构

---上世纪70年代出现的自动网络分析法减少了S参数测量的枯燥乏味，成为一种特征工具流传开来。一个基于钇铁石榴石材料（YIG：Yttrium-Iron-Garnet）的源，接一个窄带锁相接收器，这一基本技术仍是当今大多数向量网络分析师的支柱。在对用户控制和扫描时间（sweep times)有众多改进的同时,有一基本方法一直延用到今天。那就是将正弦信号扫入器件，再测量其频域响应。
---MVNA技术要求利用传统的网络分析硬件高速数字化仪和调制信号产生器。在Credence的 ASL3000RF，四个数字化仪同时使用，对入射、反射和传输波形进行采样。高速65MSPS的数字化仪用来捕获高达20MHz的连续信号宽带信号正如802.11无线局域网(WLAN)系统。为产生调制激励信号，一个相位正交（I/O）产生器（an in-phase and quadrature (I/Q) generator）可以利用计算机文件产生的信号随意调制。图6显示了MVAN技术的整体结构。
---通过一个双信道I和Q的产生器，取得调制文件，进行基带调制，产生信号。为了能够反复测试，一定要考虑触发影响（the effects of triggering）。先进的触发机制能在调制文件的特殊地址产生触发。不断循环数据以保证总是使用相同的波形来激励器件。这一点变得越来越重要，因为根据放大器的响应，要考虑调制波形中峰值和零值的影响。
---反射仪测试组形成测试系统的前端。应用了传统的网络分析仪结构，能够同时采样入射，反射和传输波形。保持这一特征十分重要。因为要确保精确的相位信息，S参数依赖于测量的同时性。
---信号分离之后，降频变化的第一阶段将信号频率降到带宽为20MHz，中心频率为213MHz的范围。一个外部频率合成器用来产生第一级本机震荡信号。信号加上另外的信号调理之后，与本机固定200MHz的信号合成后降为一个13MHz的中频。

---我们必须特别关注最后的滤波，保证在反混频滤波器中的相位响应是平滑且近乎线性的。有着陡峭滚降边缘的滤波器（如椭圆滤波器）能够提供更大的带宽，但是有更多的相位偏移。校准技术能帮助消除这些影响，但是校准后电路中任何小的偏差都会引起大的响应变化。用65MHz的频率采样，紧接着的是数字信号处理器（DSP）。所有的接收器由相同的采样时钟通过一个时钟分配机制来驱动，以保证同步性。
---在时域获得数据之后，对数据进行处理，计算出S参数。得到的波形通过合适的窗口函数用快速傅里叶变化(FFT)变换到频域。为执行12项的向量矫正,数据必须从正向和逆向两个激励方向得到，就如纠错方程考虑了两个方向的因素一样。然后原始的频域数据根据S参数的标准定义进行比率运算。最后用纠错方程除掉fixture和其他的非理想因素。

5.调制响应与正弦响应
---用上述系统，从一个2.4GHz的WLAN功放采集数据。在下面的测试中，为器件提供各种能量级别的QPSK调制信号，来说明调制条件下得到的不同性能结构。
---此功放工作在0dBm的能量输入级时，其S21数据出现显著差异。此器件的设计是为各种WLAN系统提供20dBm的输出级，由轮流传送低误码率(BER)的强信号得到更高的灵活性。在此处，1dB～2dB的性能差值就是用调制测试时器件能通过而用正弦测试时不能通过的差异。这一关键差异能方便的改善测试产量，同时保证后端用户也能得到高品质的器件。
---为保证测量系统的精确性，要测试一个无源器件(10dB的衰减器)。如衰减器这样的无源器件，不会出现诸如门过热（gate heating）和电流拥塞（current crowding）这样的有源器件所有的非线性影响。这一想法就是调制S参数和正线型S参数的不同行为的最初机制。图8说明了对无源器件使用正弦激励和调制激励的结果有很好的一致性。
---衰减器值的一致性偏差在±0.25dB范围内。说明了各种测量方法的一致性。这也说明了测量功放得到的不同结果是由于独特的器件行为所致。
---测量∠S21得到了关于调制激励下放大器行为的更多信息。对于设计来说这点特别有用，设计中尝试用相位校正的方法线性化。对于数据，做了大量工作，为了得到精确的AM-PM转移特性，并为基于DSP的线性化应用将这些特性翻译为有效的预矫正算法。使得大家不再畏惧用传统的测试仪器获得这些精确的特性所遇到的困难。传统的网络分析仪能有效获得正弦型信号的AM-PM特性，但是它们不能用来应对调制信号。图9表明了在调制条件和正弦条件下得到的不同相位响应。两者的激励结果相差5°之多。这个差异可以清楚表明是否通过了设计规格。结合这样一个事实，相位的很少的角度变化会使器件性能下降10dB甚至更多。这一问题的严重性是很明显的。还有一点很重要，上述行为没有出现在无源器件如衰减器中，正如无源器件不会表现出晶体管器件固有的非线性效应一样。

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来源:今日电子作者: 时间:2002/1/1 0:00:00