信號(hào)發(fā)生裝置中功率校準(zhǔn)方法優(yōu)化研究綜述

中電科思儀科技股份有限公司 齊彥君

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備中接收機(jī)性能綜合評(píng)價(jià)要求信號(hào)發(fā)生裝置具有更寬的頻率覆蓋范圍、更高的小信號(hào)質(zhì)量。傳統(tǒng)的功率校準(zhǔn)方法已無(wú)法適應(yīng)信號(hào)發(fā)生裝置的生產(chǎn)制造要求，設(shè)計(jì)高效、精確的功率校準(zhǔn)方法成為亟待解決的重要問題。本文提出了幾種針對(duì)信號(hào)發(fā)生裝置功率校準(zhǔn)的優(yōu)化方法，不但縮短了功率校準(zhǔn)所需的時(shí)間，而且提高了功率校準(zhǔn)精度。

作為電子系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵組成部分，信號(hào)發(fā)生裝置主要用來(lái)提供信號(hào)激勵(lì)和信號(hào)模擬，廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)及遙測(cè)傳感系統(tǒng)當(dāng)中，隨著高性能接收機(jī)頻率覆蓋范圍的擴(kuò)展，要求信號(hào)發(fā)生裝置具有更寬的頻率覆蓋范圍，更高的功率準(zhǔn)確度。

信號(hào)發(fā)生裝置信號(hào)輸出端依靠110dB步進(jìn)衰減器和自動(dòng)電平控制電路決定信號(hào)的輸出功率范圍，110dB步進(jìn)衰減器提供粗功率衰減，ALC電路提供精細(xì)的功率電平調(diào)整，使得端口輸出精確的振幅電平。輸出功率準(zhǔn)確度由自動(dòng)電平控制穩(wěn)幅電路、110dB衰減器等硬件本身的特性以及軟件對(duì)輸出功率的校準(zhǔn)來(lái)共同決定。本文主要針對(duì)通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)輸出功率校準(zhǔn)進(jìn)行研究。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)在電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是目前還只是以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)滿足信號(hào)發(fā)生裝置輸出功率技術(shù)指標(biāo)要求為主要目的，沒有對(duì)功率校準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，校準(zhǔn)的效率及精度相對(duì)比較差，或者精度比較高但是校準(zhǔn)時(shí)間特別長(zhǎng)，效率極低，可生產(chǎn)性較差。本文提出了針對(duì)信號(hào)發(fā)生裝置功率校準(zhǔn)的優(yōu)化方法，不但縮短了功率校準(zhǔn)所需的時(shí)間，而且提高了功率校準(zhǔn)精度。

1 研究現(xiàn)狀

由于信號(hào)發(fā)生裝置在不同頻率下，其輸出特性并不一致。為了達(dá)到在不同的工作頻率下，能輸出穩(wěn)定的功率，則必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)。功率校準(zhǔn)主要包括兩個(gè)部分ALC環(huán)路功率校準(zhǔn)（110dB步進(jìn)衰減器直通狀態(tài)下）和110dB步進(jìn)衰減器差值校準(zhǔn)。

ALC環(huán)路功率校準(zhǔn)通過(guò)調(diào)整ALC環(huán)路DAC值對(duì)輸出功率進(jìn)行校準(zhǔn)，具體校準(zhǔn)步驟如下：校準(zhǔn)開始，設(shè)定好校準(zhǔn)頻點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置需要校準(zhǔn)的功率值（比如0dBm）以后，然后開始向D/A轉(zhuǎn)換器依次發(fā)送DAC控制字，功率計(jì)會(huì)測(cè)出信號(hào)裝置輸出功率值，直到測(cè)出的功率值與需要校準(zhǔn)的功率值的差值在結(jié)束條件的范圍內(nèi)（比如±0.05dB），然后記錄校準(zhǔn)頻點(diǎn)、DAC值和校準(zhǔn)功率值，接下來(lái)更換需要校準(zhǔn)的功率值，重復(fù)以上操作，直到所有需要校準(zhǔn)的功率值校準(zhǔn)完成，則當(dāng)前頻點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)束，校準(zhǔn)程序自動(dòng)切換到下一個(gè)校準(zhǔn)頻點(diǎn)，重復(fù)以上操作，直至整個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)以二進(jìn)制文件的形式保存。

110dB步進(jìn)衰減器差值校準(zhǔn)。110dB步進(jìn)衰減器分成幾個(gè)擋片，在工作時(shí)每個(gè)擋片實(shí)際衰減值和理論衰減值有差值，為了保證小功率信號(hào)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)110dB衰減器進(jìn)行校準(zhǔn)。具體校準(zhǔn)步驟如下：首先，設(shè)置ALC環(huán)路的DAC值為固定值，一般選擇0dBm對(duì)應(yīng)的DAC值，同時(shí)設(shè)置所有衰減擋片為直通狀態(tài)，讀取功率計(jì)的值記為基礎(chǔ)功率P0，然后分別設(shè)置各個(gè)衰減擋片為衰減后，讀取功率計(jì)的值記為Pi，各衰減擋片的理論衰減值為Ai，則每個(gè)衰減擋片的差值為：Ai-（P0-Pi），則當(dāng)前頻點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)束，校準(zhǔn)程序自動(dòng)切換到下一個(gè)校準(zhǔn)頻點(diǎn)，重復(fù)以上操作，直至整個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束，形成衰減器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文檔，以二進(jìn)制形式存放在本地磁盤。

目前功率校準(zhǔn)存在的問題：（1）ALC環(huán)路功率校準(zhǔn)誤差，因?yàn)樵谛?zhǔn)ALC環(huán)路功率時(shí)，需要設(shè)置結(jié)束條件（比如δ為±0.05dB），會(huì)引入最大2δ的校準(zhǔn)誤差；（2）校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)，目前信號(hào)發(fā)生裝置的頻率覆蓋范圍已經(jīng)擴(kuò)展到50GHz甚至更高頻率，功率校準(zhǔn)花費(fèi)的時(shí)間非常長(zhǎng)，初步估算按照20MHz步進(jìn)進(jìn)行校準(zhǔn)，需要校準(zhǔn)2501個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)的校準(zhǔn)時(shí)間大約為6s，這樣計(jì)算后每臺(tái)儀器功率校準(zhǔn)的時(shí)間為15006s，大約4h，時(shí)間非常長(zhǎng)；（3）小功率準(zhǔn)確度差，現(xiàn)有110dB衰減器校準(zhǔn)的理論依據(jù)是，當(dāng)多個(gè)擋片同時(shí)使用時(shí)，衰減器的偏差值等于每個(gè)衰減擋片偏差值的和，但是實(shí)際存在偏差，特別是隨著頻率的增大，偏差會(huì)越來(lái)越大。針對(duì)以上問題，需要研究信號(hào)發(fā)生裝置中快速高精度的功率校準(zhǔn)方法。

2 功率校準(zhǔn)優(yōu)化方法

由于信號(hào)發(fā)生裝置需要批量化生產(chǎn)，降低功率校準(zhǔn)時(shí)間和提升功率校準(zhǔn)準(zhǔn)確度成為信號(hào)發(fā)生裝置生產(chǎn)過(guò)程中急需解決的問題。首先,針對(duì)信號(hào)發(fā)生裝置的特性進(jìn)行分析，然后,根據(jù)目前功率校準(zhǔn)存在的問題列表進(jìn)行深入研究，提出幾種優(yōu)化功率校準(zhǔn)的方法，相互配合實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生裝置功率校準(zhǔn)時(shí)間降低和準(zhǔn)確度提升。

2.1 二次功率補(bǔ)償和ALC環(huán)路DAC值固定方法

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量?jī)x器硬件設(shè)計(jì)水平的提高，硬件電路一致性越來(lái)越好，通過(guò)對(duì)多臺(tái)信號(hào)發(fā)生裝置功率校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：（1）不同儀器的相同頻率點(diǎn)的DAC值的線性度基本一致；（2）不同儀器在同一個(gè)校準(zhǔn)頻點(diǎn)、同一個(gè)校準(zhǔn)功率的DAC值的差值比較小，轉(zhuǎn)換成功率最大偏差大概在2～3dB左右。

基于以上分析得到的結(jié)論以及ALC環(huán)路功率校準(zhǔn)誤差，我們提出一種固定ALC環(huán)路DAC值和二次功率補(bǔ)償?shù)姆椒?。具體思路：（1）獲取ALC環(huán)路固定DAC值：針對(duì)信號(hào)發(fā)生裝置，我們以20MHz為步進(jìn)或者更小的頻率步進(jìn)值對(duì)某一臺(tái)信號(hào)發(fā)生裝置進(jìn)行ALC環(huán)路功率校準(zhǔn)，并把校準(zhǔn)得到的ALC環(huán)路DAC值存儲(chǔ)下來(lái)，作為每臺(tái)信號(hào)發(fā)生裝置的校準(zhǔn)基礎(chǔ)值，該校準(zhǔn)值只需要每一批次生產(chǎn)的信號(hào)發(fā)生裝置校準(zhǔn)一次即可，這樣就可以節(jié)省大量的校準(zhǔn)時(shí)間；（2）獲取二次功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)：每臺(tái)信號(hào)發(fā)生器裝置增加二次功率補(bǔ)償，即記錄不同頻點(diǎn)、不同功率值調(diào)用步驟（1）中固定的DAC值后與理論的功率值之間的差值；（3）使用二次補(bǔ)償數(shù)據(jù)：當(dāng)設(shè)置頻率f和功率值P后，主機(jī)軟件首先根據(jù)二次功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)獲得該頻率和功率設(shè)置值的功率偏差值ΔP，然后調(diào)整用戶設(shè)置的功率值為P+ΔP，最后通過(guò)固定的ALC環(huán)路DAC值和實(shí)際功率值，得到實(shí)際的DAC值，達(dá)到ALC環(huán)路功率精確輸出的目的。

通過(guò)該方法，首先ALC環(huán)路DAC值校準(zhǔn)時(shí)需要多次調(diào)整DAC值才能得到最終的DAC值，二次功率補(bǔ)償只需讀取一次該固定DAC值下實(shí)際的功率值，因此，固定ALC環(huán)路DAC值增加二次功率補(bǔ)償可以大大降低校準(zhǔn)時(shí)間，針對(duì)50GHz的信號(hào)發(fā)生裝置校準(zhǔn)時(shí)間可以降低為原來(lái)的25%；同時(shí)，雖然在固定的ALC環(huán)路DAC值中仍然存在最大2δ的校準(zhǔn)誤差，但是通過(guò)二次功率補(bǔ)償獲得的偏差值已經(jīng)把該校準(zhǔn)誤差包含在內(nèi)，因此，通過(guò)二次功率補(bǔ)償方法可以提高功率校準(zhǔn)的精度。

2.2 衰減器二次補(bǔ)償方法

通過(guò)對(duì)多臺(tái)信號(hào)發(fā)生裝置使用衰減器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后的實(shí)際輸出功率值進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：（1）在使用衰減器90dB之內(nèi)時(shí)，小信號(hào)功率偏差比較?。唬?）當(dāng)使用衰減器大于90dB時(shí)，小信號(hào)功率偏差開始變大。

基于以上分析得到的結(jié)論以及小功率準(zhǔn)確度差，我們提出一種衰減器二次功率補(bǔ)償?shù)姆椒ā＞唧w思路：（1）設(shè)置固定DAC值，一般選0dBm對(duì)應(yīng)的DAC值；（2）設(shè)置衰減器為直通狀態(tài)下，通過(guò)頻譜儀讀取功率值，記為P0，設(shè)定直通時(shí)，二次補(bǔ)償值為0；（3）設(shè)置衰減器衰減90dB后，通過(guò)頻譜儀讀取功率值，記為P90，則90dB衰減的補(bǔ)償值為P0 - P90 -90，90dB以內(nèi)的二次補(bǔ)償值通過(guò)線性插值的方法獲??；（4）設(shè)置衰減器衰減110dB后，通過(guò)頻譜儀讀取功率值，記為P110，則110dB衰減的補(bǔ)償值為P0 - P110 -110，90dB到110dB之間的衰減器二次補(bǔ)償值通過(guò)線性插值方法獲??；（5）使用衰減器二次補(bǔ)償數(shù)據(jù)：當(dāng)設(shè)置頻率f和功率值P后，主機(jī)軟件首先根據(jù)衰減器二次功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)獲得該頻率和衰減器值的衰減器二次補(bǔ)償值ΔPatt，然后調(diào)整用戶設(shè)置的功率值為P+Patt，最后通過(guò)固定的ALC環(huán)路DAC值和實(shí)際功率值，得到實(shí)際的DAC值，達(dá)到小功率精確輸出的目的。

2.3 多線程校準(zhǔn)方法

以上兩種方法是通過(guò)分析硬件特性獲取的優(yōu)化方法，接下來(lái)我們從軟件的角度去優(yōu)化校準(zhǔn)方法。通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)流程的研究發(fā)現(xiàn)，我們每次在設(shè)置完信號(hào)發(fā)生裝置的參數(shù)需要等待幾百毫秒，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生裝置信號(hào)穩(wěn)定以及功率計(jì)和頻譜儀測(cè)量值穩(wěn)定。這幾百毫秒的等待時(shí)間中，我們可以充分利用。

基于以上分析得到的結(jié)論，我們結(jié)合多線程技術(shù)，提出了一種多線程校準(zhǔn)方法用于多臺(tái)儀器同時(shí)校準(zhǔn)，該方法適合于多種校準(zhǔn)功能，不只是功率校準(zhǔn)。該方法的具體思路：（1）在校準(zhǔn)軟件中添加校準(zhǔn)儀器管理模塊，當(dāng)有儀器需要校準(zhǔn)時(shí)，就創(chuàng)建一個(gè)線程用于該儀器的校準(zhǔn)；（2）增加校準(zhǔn)線程管理模塊，用于管理多臺(tái)儀器的校準(zhǔn)，當(dāng)其中一臺(tái)校準(zhǔn)儀器處于等待過(guò)程時(shí)，去設(shè)置另外一臺(tái)儀器的參數(shù)，依次類推，達(dá)到多臺(tái)儀器同時(shí)校準(zhǔn)，充分利用校準(zhǔn)等待時(shí)間的目標(biāo)。該方法適用于信號(hào)發(fā)生裝置批量生產(chǎn)過(guò)程。

結(jié)束語(yǔ)：傳統(tǒng)的功率校準(zhǔn)方法，雖然可以滿足信號(hào)發(fā)生裝置輸出功率技術(shù)指標(biāo)要求，但是校準(zhǔn)效率較低、校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度也不高。本文提出的幾種功率校準(zhǔn)的優(yōu)化方法，不但縮短了功率校準(zhǔn)所需的時(shí)間，而且提高了功率校準(zhǔn)精度。下一步的工作將進(jìn)一步分析校準(zhǔn)流程和硬件特性，結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，尋找新的功率校準(zhǔn)優(yōu)化方法。