矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀高速掃描控制技術(shù)研究

劉敬坤，儲艷飛，馬春溪，李繼森

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠全面表征元器件的幅度與相位特性，是射頻微波領(lǐng)域非常重要的測試工具。隨著通信、電子行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對測試測量領(lǐng)域的要求也不斷提升，其中測試精度與測試速度作為衡量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的重要指標(biāo)，成為產(chǎn)品設(shè)計與性能優(yōu)化的主要研究方向，其測試速度直接決定了射頻微波部件的生產(chǎn)效率。高速掃描控制技術(shù)是優(yōu)化與解決矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試速度的主要方案，在實(shí)際應(yīng)用中具有非常重要的意義。例如在移動基站的腔體濾波器調(diào)試過程中，調(diào)試人員要對大量的調(diào)試螺桿進(jìn)行定位，每次螺桿的調(diào)節(jié)都會導(dǎo)致產(chǎn)品S參數(shù)的變化，如果矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不能快速反饋測試曲線，調(diào)試人員無法對調(diào)節(jié)效果進(jìn)行準(zhǔn)確判定，將會大大降低調(diào)試人員的效率[1]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，低于80ms的掃描時間，我們一般就可以認(rèn)為是實(shí)時反饋。

1 高速掃描控制技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作流程是：信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)過源穩(wěn)幅模塊調(diào)理后輸入源開關(guān)切換模塊內(nèi)，當(dāng)源在端口1輸出時，產(chǎn)生參考信號R1、反射信號A和傳輸信號；當(dāng)源在端口2輸出時，產(chǎn)生參考信號R2、反射信號B和傳輸信號;當(dāng)源在端口3輸出時，產(chǎn)生參考信號R3、反射信號C和傳輸信號；當(dāng)源在端口4輸出時，產(chǎn)生參考信號R4、反射信號D和傳輸信號。本振源進(jìn)入混頻模塊，混頻模塊將雙定向耦合器產(chǎn)生的參考信號、反射信號、傳輸信號等微波信號轉(zhuǎn)換成固定頻率的中頻信號，本振源和信號源鎖相在同一個參考時基上，保證在頻率變換過程中，被測件的相位信息不丟失。四路參考中頻信號（R1、 R2、 R3、 R4）通過中頻開關(guān)切換模塊選擇一路進(jìn)入數(shù)字中頻處理模塊，四路傳輸或反射中頻信號則共同進(jìn)入數(shù)字信號處理與顯示模塊中，在此將模擬中頻變成數(shù)字信號，通過計算得到被測件的幅相信息，這些信息經(jīng)各種格式變換處理后，將結(jié)果送給顯示模塊，液晶顯示模塊將被測件的幅相信息以用戶需要的格式顯示出來[2]。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描過程非常復(fù)雜，涉及到功率、頻率的穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸、自動增益判斷、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時顯示、信號源內(nèi)部頻段劃分、混頻模塊頻段選擇等多種因素[3]，本方案將對其中影響較大的部分進(jìn)行全新設(shè)計，達(dá)到速度提升的目標(biāo)。

圖1 4端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件原理框圖

為提高測量速度，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在掃描過程中需盡量減少主CPU的參與，將與硬件控制相關(guān)的指令和處理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，提高測量實(shí)時性。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為了滿足不同用戶的測試需求，其最大的特點(diǎn)就是頻段很寬，以射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，其掃描頻段由100kHz可以達(dá)到8.5GHz范圍，在如此寬頻段范圍內(nèi)，我們需要對信號源進(jìn)行濾波、混頻、倍頻、分頻等多項(xiàng)操作，每項(xiàng)操作都會劃分為一個波段，傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀這些操作都由主CPU來完成，但每次的主程序波段切換會花費(fèi)10ms以上的時間。通過減少主程序波段劃分，將與硬件控制相關(guān)的指令和處理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，可以有效提高整機(jī)的測試速度。

圖2 信號源原理框圖及內(nèi)部頻段劃分

其中VCO頻段切換、濾波通道選擇、電路板開關(guān)切換、源穩(wěn)幅數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)热坑蒁SP與FPGA完成，這種方案大大提高了整機(jī)的測試實(shí)時性，而且DSP與相關(guān)電路板進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸只需要進(jìn)行頻率信息及波段信息的設(shè)置，其余開關(guān)狀態(tài)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等都是由相關(guān)電路板內(nèi)的FPGA完成。由于DSP的處理能力有限，這種方式對硬件電路的設(shè)計也提出了更高的要求，整個軟件波段內(nèi)必須保證盡量少的進(jìn)行開關(guān)切換及各種補(bǔ)償信息設(shè)置，而且還必須滿足整機(jī)技術(shù)指標(biāo)。

經(jīng)過上述設(shè)計，整機(jī)每個頻段切換的時間由10ms減少至500μs以內(nèi)，主CPU無需進(jìn)行控制就可以完成。穩(wěn)幅環(huán)路的設(shè)計分為兩種考慮，功率平坦度采用16MHz進(jìn)行分段補(bǔ)償，提高了功率平坦度，其實(shí)現(xiàn)過程同樣無需主CPU參與，DSP僅發(fā)送與信號源模塊一致的頻率信息，源穩(wěn)幅模塊FPGA將補(bǔ)償數(shù)據(jù)立即送入DA進(jìn)行穩(wěn)幅實(shí)現(xiàn)。

為了得到真實(shí)有效的采樣數(shù)據(jù)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀整機(jī)需要在頻率穩(wěn)定時才能對信號進(jìn)行采樣。我們發(fā)現(xiàn)，對測量速度比較敏感的用戶往往都對測試精度要求不高，使用較寬的中頻帶寬，但每次掃描的測試點(diǎn)數(shù)超過801個點(diǎn)。假設(shè)進(jìn)行全二端口校準(zhǔn)后采用1601個點(diǎn)進(jìn)行掃描，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的每一個掃描周期的測量點(diǎn)數(shù)將達(dá)到3202點(diǎn)，如果每點(diǎn)駐留時間100μs，整機(jī)測試時間最短也將會達(dá)到320ms。因此，提升矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描速度，最重要的是提升每點(diǎn)駐留時間，其主要包括數(shù)據(jù)傳輸、頻率及幅度穩(wěn)定、中頻增益控制及數(shù)據(jù)采樣時間。其中數(shù)據(jù)采集時間由中頻帶寬決定，可通過增加中頻帶寬來減少掃描時間。

本方案將數(shù)據(jù)傳輸、頻率及幅度穩(wěn)定、中頻增益控制過程進(jìn)行設(shè)計，其中數(shù)據(jù)傳輸及中頻增益控制的過程與頻率及幅度的穩(wěn)定過程并行處理。同時通過大幅度提高頻率穩(wěn)定時間來縮短每點(diǎn)駐留時間。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在掃描過程中，最主要的速度限制就來源于采樣之前等待信號的頻率與幅度穩(wěn)定，而頻率的穩(wěn)定時間由信號源模塊電路決定，本方案對頻率穩(wěn)定時間進(jìn)行了分析與仿真，進(jìn)一步提高整機(jī)的測量速度[4]。圖3為VCO的調(diào)諧電路，我們通過設(shè)定鑒相頻率、環(huán)路帶寬、電荷泵電流等來進(jìn)行仿真。頻率穩(wěn)定時間在10μs微秒以內(nèi)，大大提升了穩(wěn)定時間，能夠滿足設(shè)計要求。

圖3 鑒相環(huán)路原理圖

鑒相頻率： 80MHz；環(huán)路帶寬：500k Hz；電荷泵電流：1.25m A。

圖4 環(huán)路穩(wěn)定時間設(shè)計仿真圖

一般矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描都是按照順序流程，進(jìn)行頻率設(shè)置、等待頻率穩(wěn)定、采樣幾項(xiàng)步驟循環(huán)工作，等待頻率穩(wěn)定的時間會被浪費(fèi)，本方案不僅對頻率頻率穩(wěn)定時間進(jìn)行優(yōu)化，還重新設(shè)計了后續(xù)的工作流程。具體工作流程如下：

第一個掃描點(diǎn)主程序?qū)⒏黜?xiàng)信息送入DSP，DSP通過運(yùn)算將頻率信息與波段信息送入每塊電路板，各相關(guān)電路板通過頻率信息與波段信息就可以自行設(shè)置狀態(tài)并在DSP發(fā)出觸發(fā)信號后開始工作，在等待各電路板狀態(tài)穩(wěn)定階段，DSP將下一個掃描點(diǎn)的頻率與波段信息送入相關(guān)電路板內(nèi)儲存起來，并在等待一定時間后進(jìn)行中頻幅度檢測來判斷是否進(jìn)行中頻增益開關(guān)的切換，直到頻率與功率完全穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后DSP立即發(fā)出觸發(fā)信號通知各電路板開始下一個頻率點(diǎn)的鎖相工作。可以看到，DSP與電路板的數(shù)據(jù)傳輸是在頻率鎖相開始之后進(jìn)行的，這會節(jié)約DSP與電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。

圖5 高速掃描流程圖

為了提高整機(jī)的動態(tài)范圍，中頻數(shù)字處理板采用兩級增益可控，每個掃描點(diǎn)DSP均會檢測中頻功率來判斷是否需要切換中頻增益[5]，由于存在一定閾值，此判斷無需特別精確，如果我們保證中頻信號能夠通過中頻濾波器進(jìn)行采樣，便可以由DSP進(jìn)行采樣判斷，由于數(shù)據(jù)已經(jīng)送入各電路板存儲，DSP可以采用觸發(fā)信號同步兩塊小數(shù)分頻板進(jìn)行頻率鎖相，這樣無需等待至小數(shù)分頻板完全頻率鎖定就可以進(jìn)行中頻信號的采樣判斷，等到完成中頻增益的判斷后，頻率及功率已經(jīng)逐漸穩(wěn)定，可以進(jìn)行整機(jī)的中頻信號處理過程。

圖6 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀高速掃描效果

2 結(jié)束語

本設(shè)計通過對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀整機(jī)原理的分析，梳理出高速掃描設(shè)計需要優(yōu)化的各項(xiàng)因素，包括功率、頻率的穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸、自動增益判斷、頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、各模塊波段劃分等，并對每項(xiàng)因素進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計，在50kHz中頻帶寬，測試點(diǎn)數(shù)801的條件下，單次掃描時間低于33ms，遠(yuǎn)低于工位調(diào)試需要的最低反應(yīng)時間，具有很高的實(shí)用價值，同時也在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。