终端综测仪自动校准研究与实现

作者简介：杨政（1977—），男，高级工程师，主要研究方向为移动通信测试仪表的研究与开发。E-mail：hello_401@sohu.com。

0   引言

随着移动通信技术的不断演进，终端测试设备作为通信测试领域的重要仪表越来越受到业界的关注。终端的质量和性能优劣对整个通信产业链的健康发展有着举足轻重的影响，终端测试仪表及测试平台的发展是移动通信产业化的重要环节，不仅可以为面向商用终端基带芯片等提供专业测试验证仪表，而且可以通过对终端芯片研发的支持，带动通信测试领域的全面发展^[1]。终端综测仪作为通信测试王牌仪器，是业内所有仪表厂家发展的核心和重点，也是市场竞争最为激烈的焦点。由于多种制式、大带宽、多频点、多种调制技术等特点，使得终端综测仪的功率校准成为了一个难题。仪表在正式交付时都要经过精密仪器测试，功率等各相关仪表指标都能满足仪表指标要求。但是经过一段时间以后，仪表的各项指标由于环境变化、温度不同等因素的影响，功率等指标达不到设计的要求。仪表就需要重新校准，仪表厂商现场校准成本较高。因综测仪自身带有的信号源和接收机的特点，利用信号发射与信号分析并行反馈校准技术，通过具体实践充分证明了该方法的正确性和有效性^[2]。

1   终端综测仪硬件平台及总体方案

综测仪硬件平台原理框图如图1 所示，主要由以下几个部分组成：发射参考时钟输出经过锁相的高稳参考信号；基带数据产生单元，依据设置的不同通信制式输出不同的两路IQ 数据；上变频器单元的功能是把FPGA 产生的基带信号经DAC、正交调制等处理后产生中频信号。宽带本振单元利用DDS 锁相技术环路输出（0.4~6）GHz 本振信号；射频混频单元，利用混频技术把中频信号混到射频，利用携带通信信息的射频信号进行传输；开闭环转换单元用于调制器开环和闭环的切换，同时还可以通过模数转换器把数据调整为模拟信号来控制调制器。调制器单元是一个利用数字电路控制可调谐的衰减器，通过设置不同数据来调整调制器的不同衰减量；多级放大单元对通路中的射频信号进行放大，提高仪表的最大输出功率。功分器单元将射频信号功率分配分成两路，一路进行传输，一路反馈给调制器。检波采样单元用于把反馈回来的射频信号转换成数字信号。时分同步运算单元用于对反馈回数字信号求和运算、平均等数据处理，采用负反馈来控制调制器。功率调整单元可以控制发射信号的功率输出，进行最大120 dB衰减或0 衰减量。MIMO 接口单元主要起合路器的作用，将发射信号和接收信号合路，合路后的端口可分时输入或输出。

接收功率衰减单元主要调整输入的大功率信号，对输入信号进行最大50 dB 衰减或0 衰减量。前置增益控制单元用于输入小功率信号的调整放大，接收衰减单元和前置增益控制单元的主要功能是对大信号衰减，小信号放大，根据后端电路处理要求扩大仪表的测试信号范围。宽带本振单元输出（0.4~6）GHz 本振信号。混频单元将高频射频信号降频，匹配滤波单元，滤除混频中无用的信号，留下有效信号。下变频器单元的功能是将中频经过模数转换实现数据采样，将数据流分成两路，得到IQ 两路基带信号。接收参考时钟单元通过固定分频锁相环输出的参考时钟信号用于内部信号抽取采样。数据分析单元是对接收到的IQ 数据进行解调分析^[3]。

2   发射数字稳幅具体实现

综测仪发射单元功率控制主要是通过衰减器和调制器协同工作完成。衰减器进行大范围控制，调制器实现对功率的精确控制，因此调制器校准精度直接影响到输出功率精确度。衰减器最大衰减量为120 dBm，通过对衰减器的不同设置，可以实现对输出信号0 衰减量或120 dBm 衰减量每10 dB 一档的动态控制，当达到最大衰减时，可以实现最小功率。调制器的控制范围超过25 dB，保证了与衰减器的配合可以在大范围中实现精确控制。为确保发射单元的功率准确度，采用了数字稳幅技术，以TD-LTE 信号为例，发射的信号采用多子帧通信，且每个子帧内又存在多个时隙^[4]，具体1 个帧周期内的时隙分布图见图2。在通信时，并不是每个时隙内都一定有信号，这就要求时隙内没有通信信号时，稳幅环路不工作，保持一个固定状态。而传统ALC 稳幅环路由于采用有效值检波，并通过采用负反馈环路控制调制器，实现信号的稳定输出，很难完成这种脉冲内检波、脉冲外保持的稳幅要求。因TD-LTE 通信中每个子帧周期是固定的，在判断到有上升沿后，就开始读取A/D 采集的数据，并求和处理，由于导频时隙的宽度是固定的，可以根据高速时钟A/D 的采集速率和导频时隙的宽度来调整计数器的终止数据。经过功率调整的调制信号一路作为信号发射到端口，另一路通过反馈数据处理来控制调制器的输出功率。触发信号以TD-LTE 帧周期的同步信号上升沿来判断，按照通信制式不同选择不同的保护时隙，如果有上升沿，则开始采样时隙内数据，并累加A/D 采集的数据，等累加到导频时隙的宽度时，就停止累加，并计算出A/D 累加的平均值，然后与参考数据比较，根据数据比较的结构，修正输出到DAC 的数据。经过几个帧的修正后，实现功率稳定。具体采集数据如图3 所示。这是一个逐步稳定的过程，延迟的时间包括时隙在帧周期所处的位置、一定的保护时隙、通道延迟时间^[3]，只要去掉帧同步判断就可实现连续波的稳幅，数字稳幅具体流程见图4。

图3 采集数据

图4 数字稳幅流程

3   衰减器与频响校准流程

通过数字稳幅技术达到发射单元的功率准确度，另衰减器和调制器在每个频率点上输出功率是不一样的，如何补偿由于频率变化带来的影响，是校准另一个需要解决的问题^[5]。采用数字基带产生技术产生的数据通过数字上混频依照调制格式产生不同的通信信号，如TDLTE信号等^[6]，发射信号的功率是假设是P_TX：

PTX = PIF+ AT + ΔAT + M （1）

其中，PIF 是基带经过上混频输出的功率，大约为-3.3 dBm，中频频增益设置为0；AT 指的程控衰减器的衰减量，最大衰减量为120 dBm，通过对衰减器的不同设置，可以实现对输出信号0 衰减量或120 dBm 衰减量每10 dB 一档的动态控制；ΔAT 为程控衰减器衰减实际值与理论值的差值；M 为调制器的衰减值，步进为0.05 dB，可控范围为20 dB。ΔAT 和M 为出厂前的校准值以某一台机器的数据为例：ΔAT 是各档衰减量与实测误差值：10 dB 误差值为-1.266 dBm，依次20 dB 为-1.449 dBm，30 dB 为-0.859 dBm，40 dB 为-1.698 dBm，50 dB 为-1.693 dBm，60 dB 为-0.895 dBm，70 dB 为-1.739 dBm，80 dB 为-1.828 dBm，90 dB 为-1.798 dBm，100 dB 为-2.449 dBm，110 dB 为-1.568 dBm，120 dB 为-1.112 dBm。实测各档衰减量与实测误差值对应关系曲线如图5 所示。X 轴的数字1 代表10 dB 衰减，依次为12 代表120 dB 衰减。M是调制器衰减量，是一个可预置的集成电路，整个动态范围为（6~-24.5）dBm，最大增益达6 dBm，最小可衰减24.5 dB；调制器HMC346C8 的压控曲线如图6 所示。

实际作为衰减器使用时，尽量选择线性度好的区域，即选择（3~-17)dBm。还是以发射出来TD-LTE 信号为例，时隙在TS1，频点为10 087，功率-20 dBm，通过MIMO 接口单元接入接收机，接收到的信号经过降频处理后下变频器成基带数据进行功率分析处理。设置接收前端可控衰减量为0 dB 时，与获得的实际测量差值定义为ΔAT0，依次衰减量为10 dBm 时，实测差值为ΔAT10，以此类推，分别获取每档衰减器与实际测量差值存入内部存储单元中[3]。获得的数据用来修正接收衰减器数据，接收单元衰减器的具体流程图见图7。

通过设置综测仪通信制式为TD-LTE，发射功率为-20 dBm，频率步进10 MHz，扫描起始点为0.4 GHz，扫描终止点为6 GHz，发射信号时隙单元选择为TS1，综测仪作为信号源发射信号经过仪器内置的功分器转换到接收机中，通过频谱分析功率测试等把测试到的差值存到内部存储器中, 与综测仪的原始数据进行比较后修改信号源的频响，信号源频率10 MHz 步进点靠直接补偿数据，10 MHz 步进中间各频率点靠拟合曲线或插值补偿的形式，逼近真实数据值, 提高综测仪的功率准确度指标，综测仪频率响应校准的软件流程参见图8^[7]。

图7 接收单元衰减器的流程

图8 综测仪频率响应校准的软件流程

4   测试结果

通过指定通信制式信号源发射信号，经过校准后的综测仪实测功率值与安立MS2692A 进行对比测试。信号源功率设置为-20.0 dBm，频率为（0.4~6）GHz。表1 选取了部分频率点记录了测试结果。

从表1 中可以看出，终端仪实测值与MS2692A 实际测量结果非常接近，误差仅在0.2 dBm 以下，这是由于仪器自身差别和环境温度造成的，综上，综测仪经过校准后的功率测试较准确，充分说明校准的有效性。

5   结束语

本文首先分析了当前终端综测仪研究的国内外现状，终端测试领域存在巨大的发展空间。结合我单位研发的终端综测仪，深入理解了综测仪整机方案和射频通道模块的校准原理。分别对调制器功率校准以及衰减器校准进行了深入的分析，通过实际校准验证了整个流程的正确性和有效性。但是，在实际的校准过程中还有许多不确定的因素影响校准结果。后续还需要更加深入的研究，并充分地理解硬件设计思想和探索硬件实际运行特性。

参考文献：

[1] 周新国.宽带无线通信综合测试仪自动校准系统的设计与实现[J].仪器仪表用户,2017(5):29-31.

[2] 方玺.电子仪器自动校准与检测软件系统设计与实现分析[J].化工设计通讯,2018(12):251-255.

[3] 杨政.一种多模多频多通道系统的功率自校准装置及方法[P].中国:ZL 2014 1 0571753.8,2014.

[4] 王凯.数字通信调制参数自动校准的研究[J].电视技术,2013,37(9).

[5] 栾鹏.频谱分析仪自动校准技术研究[J].信息化技术与控制,2002(1):161-162.

[6] 付兴.TD-SCDMA终端综合测试仪物理层的软硬件设计[J].仪器仪表学报,2007(4):340-342.

[7] 卞剑.频谱分析仪自动校准中的问题及解决方式[J].计测技术,2016(1):57-60.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期）