基于自適應(yīng)電平控制的頻譜分析儀動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)

郭亞楠，杜會(huì)文，丁毓恒，趙子正

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引 言

動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，是指在規(guī)定測(cè)量準(zhǔn)確度條件下，頻譜儀能夠測(cè)量的同時(shí)存在于輸入端的最大信號(hào)與最小信號(hào)的功率比。它表征了分析儀測(cè)量同時(shí)存在的兩個(gè)信號(hào)幅度差的能力。動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)主要受頻譜分析儀的接收靈敏度、1 dB 壓縮點(diǎn)及三階截獲點(diǎn)等指標(biāo)的制約[1]。

近年來(lái)，5G 移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速。5G 通信技術(shù)的其中一個(gè)特點(diǎn)是靈敏度高、抗干擾能力弱[2]。因此，其相鄰頻道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）是一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。在保證信道內(nèi)信號(hào)功率的同時(shí)，信號(hào)在鄰道泄漏的功率要足夠小。頻譜分析儀作為5G 信號(hào)的主要測(cè)試設(shè)備，需能夠準(zhǔn)確測(cè)試信道內(nèi)的大信號(hào)功率及鄰道內(nèi)泄漏的小信號(hào)功率。這就要求其自身的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)要足夠高。這對(duì)頻譜分析儀的通道設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的頻譜分析儀接收通道三級(jí)電平自動(dòng)控制方案可很好地提高頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，從而滿足5G 移動(dòng)通信測(cè)試的應(yīng)用需要。

1 方案實(shí)現(xiàn)

ACLR 測(cè)試對(duì)信號(hào)分析儀的接收動(dòng)態(tài)范圍要求高，在強(qiáng)弱信號(hào)并存的情況下，需要對(duì)每個(gè)信號(hào)都能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在如圖1（a）所示的情況下，要求對(duì)強(qiáng)弱信號(hào)都能進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量。如果強(qiáng)信號(hào)功率非常大，超過了信號(hào)分析儀的最大動(dòng)態(tài)范圍，如圖1（b）所示，儀器直接接收信號(hào)，很容易造成設(shè)備增益壓縮，產(chǎn)生眾多的失真假信號(hào)。為了避免這種情況的發(fā)生，一般采用降低通路增益的方法，使強(qiáng)信號(hào)位于信號(hào)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，如圖1（c）所示。然而，增益的降低又會(huì)影響儀器對(duì)微弱小信號(hào)的測(cè)試能力，甚至?xí)?dǎo)致小信號(hào)淹沒在信號(hào)分析儀的噪聲基底中而無(wú)法進(jìn)行測(cè)試[3]。

圖1 強(qiáng)弱信號(hào)并存情況示意

本文采用三級(jí)電平自動(dòng)控制方案來(lái)解決上述強(qiáng)弱信號(hào)并存的測(cè)試難題，在提高大功率信號(hào)測(cè)試能力的同時(shí)降低本底噪聲的惡化程度，從而提高接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。三級(jí)電平自動(dòng)控制方案原理如圖2 所示[4]。

圖2 三級(jí)增益自動(dòng)控制方案

其中，第一級(jí)電平自動(dòng)控制模塊由輸入端可變?cè)鲆婺K和低波段可變?cè)鲆婺K、高波段可變?cè)鲆婺K兩部分構(gòu)成。它們之間通過低波段預(yù)選器和高波段預(yù)選器相連接。通常情況下，這兩部分可變?cè)鲆婺K不同時(shí)起作用。這種結(jié)構(gòu)能夠有效地解決帶內(nèi)、帶外強(qiáng)弱信號(hào)并存的測(cè)試難題。例如，當(dāng)帶外信號(hào)很大而帶內(nèi)信號(hào)又非常小時(shí)，輸入端可變?cè)鲆婺K不起作用，信號(hào)直接進(jìn)入低波段預(yù)選器或高波段預(yù)選器。預(yù)選器濾除帶外強(qiáng)信號(hào)，保留帶內(nèi)小信號(hào)，這些小信號(hào)經(jīng)過低波段可變?cè)鲆婺K或高波段可變?cè)鲆婺K放大處理后，可以明顯改善信號(hào)的信噪比，提高信號(hào)的測(cè)試精度。當(dāng)帶內(nèi)、帶外信號(hào)都很小時(shí)，輸入端可變?cè)鲆婺K起作用。由于這個(gè)模塊位于設(shè)備的最前端，且采用低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)，因此，后端信號(hào)處理模塊也可以在最佳測(cè)試量程范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試[5]。

三級(jí)電平自動(dòng)控制方案中的第二級(jí)是中頻可變?cè)鲆婺K。它將輸入信號(hào)的峰峰值限制在A/D轉(zhuǎn)換器的最大允許范圍內(nèi)，防止輸入采樣的A/D 溢出。第三級(jí)數(shù)字可變?cè)鲆婺K對(duì)窄帶濾波處理后的信號(hào)進(jìn)行增益的自動(dòng)控制，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。

實(shí)現(xiàn)上述三級(jí)電平自動(dòng)控制方案，需要解決增益的自適應(yīng)控制技術(shù)。電平自適應(yīng)控制技術(shù)的表征模型如圖3 所示。

圖3 電平自適應(yīng)控制技術(shù)的表征模型

輸入r(t)乘以增益a后得到信號(hào)s(t)，然后對(duì)其采樣得到輸出s(k)。性能評(píng)估模塊用來(lái)衡量s(k)并決定增大a還是減小a。由此可以看出，自動(dòng)電平控制技術(shù)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)信號(hào)的變化來(lái)自動(dòng)地調(diào)整增益參數(shù)a，使其輸出維持在某個(gè)特定的范圍。

為了自適應(yīng)地調(diào)整增益參數(shù)a，本文方案采用最陡下降遞歸迭代法來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)求解。算法選用公式（1）作為性能評(píng)價(jià)函數(shù)。

式中：a為需要調(diào)整的增益參數(shù)，r(kT)為輸入信號(hào)在kT時(shí)刻的值，s(k)為采樣信號(hào)，d為想要得到的平均能量。

性能評(píng)價(jià)函數(shù)的誤差表面如圖4 所示。由圖4可以看出，該函數(shù)具有非常明顯的局部極小值。只要初始值選擇正確，參數(shù)a就會(huì)沿著誤差表面下降到局部極小值位置，算法成功收斂。

圖4 性能評(píng)價(jià)函數(shù)的誤差表面

在控制方法方面，本文設(shè)計(jì)了一種超外差接收分析儀器通道輸出電平的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，使用通道電平輸出控制器并結(jié)合耦合器、功率檢測(cè)單元、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器以及中斷控制器完成掃描過程中通道輸出電平的自動(dòng)控制，從而達(dá)到提高信號(hào)測(cè)量精度的目的。技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 通道輸出電平自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖

2 指標(biāo)測(cè)試

將自適應(yīng)電平控制技術(shù)應(yīng)用到某型號(hào)信號(hào)分析儀中，儀器對(duì)5G NR 信號(hào)的ACLR 測(cè)試能力獲得了較好的提升，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7 所示。圖6 為未采用自適應(yīng)電平控制技術(shù)時(shí)信號(hào)分析儀的5G NR ACLR 測(cè)試水平，鄰道為-55.6 dBc。圖7 為采用自適應(yīng)電平控制技術(shù)后信號(hào)分析儀的5G NR ACLR 測(cè)試水平，鄰道為-61.2 dBc，提升了5.6 dB。

圖6 未應(yīng)用自適應(yīng)電平控制技術(shù)的ACLR 指標(biāo)

圖7 應(yīng)用自適應(yīng)電平控制技術(shù)的ACLR 指標(biāo)

3 結(jié) 語(yǔ)

5G 通信技術(shù)對(duì)頻譜分析儀等測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)要求越來(lái)越高。針對(duì)這個(gè)應(yīng)用需求，基于自適應(yīng)電平控制技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了頻譜分析儀接收通道三級(jí)電平自動(dòng)控制方案，大大提高了頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍。該方案已應(yīng)用到某型號(hào)信號(hào)分析儀中，5G NR 信號(hào)的ACLR 指標(biāo)測(cè)試改善了5 dB，效果顯著。