基于小型化模塊相位噪聲的間接測試方法

胡勁涵，陳文濤，邵海洲

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

0 引言

相位噪聲是雷達(dá)、通信和電子對抗裝備等領(lǐng)域中的重要技術(shù)指標(biāo)，也是評估信號質(zhì)量的主要依據(jù)，因此其測量結(jié)果已成為系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)[1]。通信系統(tǒng)的收發(fā)電路由多個組件構(gòu)成，本振是其中的重要組成部分。在接收電路中，本振信號相位噪聲會通過混頻器被引入到接收信號中，導(dǎo)致混頻后輸出的中頻信號相位噪聲惡化，如果利用接收信號的相位信息來提取信號的目標(biāo)特征參數(shù)，相位噪聲惡化將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)指標(biāo)[2-5]。發(fā)射電路的本振信號相位噪聲也會通過混頻器疊加到發(fā)射信號中，導(dǎo)致混頻后輸出的射頻信號相位噪聲惡化，進(jìn)而影響到后級電路對射頻信號的接收和處理。

隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的不斷進(jìn)步[6-7]，電路模塊小型化已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[8-11]。小型化收發(fā)電路模塊由于整體尺寸有限，在設(shè)計時無法在本振輸出端預(yù)留測試端口，導(dǎo)致無法直接測試相位噪聲。

本文提出了1 種間接測試本振信號相位噪聲的方法，通過測試輸入/輸出信號的頻率、相位噪聲以及通路的增益和噪聲系數(shù)，間接計算出本振信號相位噪聲。該方法能夠在不破壞電路的前提下，快速、有效地測試并計算本振信號相位噪聲。

1 間接測試方法的理論分析

1.1 接收機(jī)的本振信號相位噪聲

接收機(jī)是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，其負(fù)責(zé)將天線接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理的信號頻率和電平范圍。接收機(jī)的整體通路如圖1 所示。本振信號相位噪聲直接影響中頻信號相位噪聲，從而影響進(jìn)入ADC 的中頻信號質(zhì)量。在實(shí)際的電路設(shè)計中，由于空間受限，通常不會在本振輸出端預(yù)留測試端口，因此需要通過間接方法測試本振信號相位噪聲。

圖1 接收機(jī)的整體通路

最終進(jìn)入ADC 的中頻信號相位噪聲由以下部分組成：1）輸入的射頻信號相位噪聲；2）本振信號相位噪聲；3）接收通路產(chǎn)生的熱噪聲。為了計算接收通路的本振信號相位噪聲，需要得到中頻信號相位噪聲、射頻信號相位噪聲以及接收通路的增益、噪聲系數(shù)。

將除天線、本振和ADC 以外的接收通路當(dāng)作1個“黑匣子”，通過頻譜儀和相噪儀測得從天線接收到的射頻信號功率（設(shè)為PRF1）、相位噪聲（設(shè)為NRF1），以及接收通路輸出的中頻信號功率（設(shè)為PIF1）、相位噪聲（設(shè)為NIF1），以偏移頻率為100 kHz 時的相位噪聲為例，整個接收通路的增益為G1，通路的噪聲系數(shù)為F1，本振信號相位噪聲為NLO1。射頻信號經(jīng)過接收通路后引入的相位噪聲絕對值PPNRF為

接收通路產(chǎn)生的熱噪聲的絕對值PJ1為

其中：B1為帶寬，為了和相位噪聲單位保持一致，將B1設(shè)置為1 Hz。

本振信號相位噪聲絕對值PPNLO1為

1.2 發(fā)射機(jī)的本振信號相位噪聲

不同于接收機(jī)，發(fā)射機(jī)的功能是將頻率較低的中頻信號轉(zhuǎn)換為頻率更高、適合天線輻射的射頻信號。發(fā)射機(jī)的整體通路如圖2 所示。發(fā)射機(jī)本振信號的間接計算方法和接收機(jī)本振信號類似。

圖2 發(fā)射機(jī)的整體通路

從天線輻射出去的射頻信號相位噪聲由以下部分組成：1）輸入的中頻信號相位噪聲；2）本振信號相位噪聲；3）發(fā)射通路產(chǎn)生的熱噪聲。為了計算發(fā)射通路本振信號相位噪聲，需要得到射頻信號相位噪聲、中頻信號相位噪聲以及發(fā)射通路的增益和噪聲系數(shù)。

將濾波器、混頻器和放大器看作一個整體，通過頻譜儀和相噪儀測得從數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）傳輸?shù)桨l(fā)射通路的中頻信號功率（設(shè)為PIF2）、相位噪聲（設(shè)為NIF2），以及最終通過天線發(fā)射出去的射頻信號功率（設(shè)為PRF2）、相位噪聲（設(shè)為NRF2），以偏移頻率為100 kHz 時的相位噪聲為例，整個發(fā)射通路的增益為G2，通路的噪聲系數(shù)為F2，本振信號相位噪聲為NLO2。中頻信號經(jīng)過發(fā)射通路后引入的相位噪聲絕對值PPNIF為

由發(fā)射通路產(chǎn)生的熱噪聲的絕對值PJ2為

其中：B2為帶寬，為了和相位噪聲單位保持一致，將B2設(shè)置為1 Hz。

本振信號相位噪聲的絕對值PPNLO2為

2 小型化收發(fā)電路模塊

本文設(shè)計了1 款小型化收發(fā)電路模塊，圖3 為該電路模塊的系統(tǒng)測試原理框圖。電路模塊通過2 顆鎖相環(huán)芯片、2 顆調(diào)制器芯片、2 顆解調(diào)器芯片、2 顆可變增益放大器（VGA）芯片和級間電路實(shí)現(xiàn)了1 個雙發(fā)雙收（2T2R）系統(tǒng)。鎖相環(huán)芯片分別為模塊的2 路發(fā)射通路和2 路接收通路提供獨(dú)立的本振信號。紅色虛線框內(nèi)為模塊的2 路發(fā)射通路，藍(lán)色虛線框內(nèi)為模塊的2 路接收通路。發(fā)射通路的調(diào)制器芯片內(nèi)部集成了放大器和混頻器，調(diào)制器芯片的作用是將中頻信號和本振信號進(jìn)行混頻并放大，隨后將其轉(zhuǎn)換為更高頻率的射頻信號。接收通路的解調(diào)器芯片內(nèi)部同樣集成了放大器和混頻器，解調(diào)器芯片的作用是將接收到的射頻信號和本振信號進(jìn)行混頻并將其轉(zhuǎn)換為適合ADC 處理的中頻信號。VGA 負(fù)責(zé)對中頻信號進(jìn)行放大和濾波。

圖3 小型化收發(fā)電路模塊系統(tǒng)測試原理框圖

小型化收發(fā)電路模塊的整體尺寸為45 mm×55 mm，由于受到系統(tǒng)尺寸的限制，在鎖相環(huán)芯片的輸出端無法預(yù)留測試端口。小型化收發(fā)電路模塊實(shí)物如圖4 所示，從圖4 可知，此模塊尺寸較小，在此空間內(nèi)增加4 路本振輸出的測試座難度較大。如果增加SMA測試座，模塊尺寸勢必會變大，將無法滿足原有系統(tǒng)尺寸的要求，所以需要采用間接測試方法測試此模塊的本振信號相位噪聲。

圖4 小型化收發(fā)電路模塊實(shí)物

3 相位噪聲測試方法

按照小型化收發(fā)電路模塊系統(tǒng)測試原理框圖搭建測試環(huán)境。采用直流穩(wěn)壓源給整個模塊供電，使用FPGA 程序給模塊的各芯片寫入合適的寄存器值，寄存器值的設(shè)置將決定各芯片的工作狀態(tài)。

在保證模塊正常工作的前提下，采用信號源提供射頻輸入信號，使用頻譜儀測得模塊輸出的中頻信號功率和相位噪聲。在信號源和模塊之間接入1 個低噪聲放大器，以降低整個接收通路的噪聲系數(shù)。使用低噪聲放大器可以使頻譜儀測得更準(zhǔn)確的中頻信號相位噪聲。最后利用頻譜儀測得低噪聲放大器和接收通路的整體增益和噪聲系數(shù)。

在保證模塊處于正常工作狀態(tài)的前提下，采用信號源提供中頻輸入信號，使用頻譜儀測得輸出的射頻信號功率和相位噪聲。在模塊和頻譜儀之間接入1 個放大器，以提高模塊輸出的射頻信號功率。使用放大器可以使頻譜儀測得更準(zhǔn)確的射頻信號相位噪聲。最后利用頻譜儀測得發(fā)射通路和放大器的整體增益和噪聲系數(shù)。

4 測試結(jié)果分析

將接收通路1的射頻信號輸入頻率設(shè)置為400 MHz，本振信號頻率設(shè)置為450 MHz，中頻信號輸出頻率設(shè)置為50 MHz；將接收通路2 的射頻信號輸入頻率設(shè)置為2 400 MHz，本振信號頻率設(shè)置為2 450 MHz，中頻信號輸出頻率設(shè)置為50 MHz。信號源產(chǎn)生的射頻信號輸入功率為－16 dBm，利用頻譜儀測得中頻信號輸出功率為12.8 dBm，通過公式計算出整個接收通路的增益為28.8 dB，利用增益法得到整個接收通路的噪聲系數(shù)為22.7 dB。將頻譜儀切換到相位噪聲測試模式，測得射頻信號和中頻信號的相位噪聲，將測試數(shù)據(jù)帶入式（5）進(jìn)行計算，將計算結(jié)果與器件規(guī)格書上的相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行對比，接收通路相位噪聲的測試及計算結(jié)果如表1 所示。

表1 接收通路相位噪聲的測試及計算結(jié)果

將發(fā)射通路1 的中頻信號輸入頻率設(shè)置為50 MHz，本振信號頻率設(shè)置為2 500 MHz，射頻信號輸出頻率設(shè)置為2 550 MHz；將發(fā)射通路2 的中頻信號輸入頻率設(shè)置為50 MHz，本振信號頻率設(shè)置為5 800 MHz，射頻信號輸出頻率設(shè)置為5 850 MHz。將信號源產(chǎn)生的中頻信號輸入功率設(shè)置為0 dBm，利用頻譜儀測得射頻信號輸出功率為8.2 dBm，整個發(fā)射通路的增益為8.2 dB，利用增益法得到整個發(fā)射通路的噪聲系數(shù)為25.8 dB。將頻譜儀切換到相位噪聲測試模式，測得中頻信號和射頻信號的相位噪聲，將測試數(shù)據(jù)帶入式（10）進(jìn)行計算，將計算結(jié)果與器件規(guī)格書上的相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行對比，發(fā)射通路相位噪聲的測試及計算結(jié)果如表2 所示。

表2 發(fā)射通路相位噪聲的測試及計算結(jié)果

在不同頻段下，分別對2 路接收通路和2 路發(fā)射通路進(jìn)行測試，將計算出的本振信號相位噪聲結(jié)果和器件規(guī)格書上的相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行對比，誤差均在2%以內(nèi)。不同頻率下的接收通路和發(fā)射通路的性能都表現(xiàn)出高度一致性。在無法直接測試小型化收發(fā)電路模塊本振信號相位噪聲的情況下，使用間接測試方法測得的本振信號相位噪聲與器件規(guī)格書中的相位噪聲指標(biāo)高度一致，進(jìn)而證明了間接測試方法的準(zhǔn)確性和有效性。

5 結(jié)論

針對無法直接測試本振信號相位噪聲的情況，本文提出了1 種間接計算本振信號相位噪聲的方法。該方法可以在不破壞系統(tǒng)電路的前提下準(zhǔn)確地測量本振信號相位噪聲。實(shí)測結(jié)果充分證實(shí)了間接計算方法的精確性和可行性，從而解決了無法直接測試小型化模塊本振信號相位噪聲的問題，該方法為本振信號相位噪聲的測試和驗證提供了更多選擇。