接收机测试：应对 5 大基本挑战

接收机测试：应对 5 大基本挑战

开发无线系统的要求非常苛刻，不但具有严格限制，还要进行大量的权衡取舍。性能、成本和上市时间都有改善或提升需求。针对射频测试，无论是元器件、子系统还是完整的无线系统，您都会遇到一些棘手的难题。为此，本文提供了具有针对性的解决方案，帮助您在开发无线接收机时轻松应对五大基本挑战：

• 控制噪声系数
• 优化相位噪声性能
• 抑制功耗
• 精确地测量射频功率
• 生成各种复杂的信号

全面控制接收机的噪声系数

噪声，尤其信噪比（SNR），是无线接收机中的一个基本问题。高噪声电平会限制系统的容量、覆盖范围，以及许多对系统运营商和终端用户都有重大影响的相关特性。在某些情况下，可以通过增加发射功率来改善 SNR，但却经常受到法规和功耗方面的限制。由于涉及成本、可用功率和空间问题，设计人员在大多数情况下都要非常谨慎地控制好接收机的 SNR。

他们通常会根据每个模块的性能目标/“性能预算”来控制 SNR，从而优化无线系统的噪声性能。对所有模块来说，有效的噪声性能取决于它（与增益相比）增加了多少噪声；因此正确的衡量方法就是：计算每个模块的输入/输出之间的 SNR 到底有多大差别。这种比值的比值用对数表示就是噪声系数。若想优化噪声性能，就必须能够精确地测量元器件和子系统的噪声系数。最好是在接收机的设计阶段可以足够方便地随时进行这些测量。

进行理想的噪声系数测量

测量噪声系数通常有两种方法：Y 因子法和冷源法。Y 因子法是针对射频和微波频率最常用的方法（图 1）。使用这种方法时，需要在 DUT 输入端连接一个可开关且已校准的噪声源，再为输出端连接一台噪声系数分析仪或信号分析仪；然后分别测量这两处的噪声，计算二者的噪声比。接下来，在噪声源接通（“热状态”）和关断状态下直接对其输出端进行校准测量，然后测量 DUT 的增益。冷源法需要用到矢量网络分析仪（VNA），我们通过一个 2 端口连接将其连接至 DUT。这种方法不需要单独的噪声源，只需与 DUT 建立单线连接就足以完成整个测量。这两种方法均可对接收机设计进行精确测量，并且都面临一定测量条件的挑战。这些挑战通常表现为两种形式：对误差源进行精确补偿；以及区分接收机噪声和 DUT 噪声。在本应用指南中，我们仅限定把放大器作为 DUT 进行讨论。

选择测量方法

冷源法，尤其是在下述不利条件下进行测量时，可以提供最精确的测量结果。它非常适合毫米波频率测量，或者当被测器件的输入/输出匹配极差的情况。最差情况是指，DUT 的阻抗与仪器、线缆和附件的 50 欧姆理想阻抗之间相差过大。VNA 的矢量校准技术能够处理测量配置中多种可能的失配误差。它可以在噪声系数测量中减少这种通常最大的单一误差源。阻抗失配会导致错误的功率测量值，进而直接影响噪声系数计算。

常见的失配来源包括：晶圆、探头或夹具（或任何类型的非同轴连接）；DUT 与噪声源或分析仪之间的失配；测试系统的信号转换。当频率增大时失配情况通常会有所减轻。因此一般而言，冷源法是最好的测量毫米波频率的方法。不过在实践中，尽管大多数噪声系数测量是在射频和微波频率上进行的，也都支持同轴连接，并且噪声源、分析仪和 DUT 之间具有合理的阻抗匹配。但是，对于这些测量，出于成本和便捷性方面的考虑，许多射频工程师还是会选择 Y 因子法。Y 因子法得益于信号分析仪是工程师们用起来最方便的仪器； 而且它们比 VNA 价格低，在测量精度和测量成本上能够提供很好的性价比。

时刻谨记这些权衡，重要的是要花些精力关注那些会让测量更加困难、或者会大幅增加误差的不利条件：

• DUT 的增益较低和噪声系数很优异的情况：此类 DUT 产生的增量噪声会极少。它们会在分析仪的输入端产生很难被精确测量的信号，因为这些信号非常接近于分析仪自身的本底噪声。
• 传导干扰或辐射干扰：对那些因传导干扰或辐射干扰而产生的功率，分析仪没有能力把它们分离出来。若有可能，应该在有屏蔽隔离的保护壳内进行测量，尽量远离手机和网络，并且不用电池供电。
• 使用了适配器和复杂的布线或者导线太长：布线电缆和适配器会损害阻抗匹配，并且减弱所提供或所测得的噪声功率。一种很经济的措施就是采用定制化的布线方案。这样可以提高测量性能，减少误差，并且避免使用适配器或增加线缆长度。
• 校准与测量连接异常：定期维护布线和连接器；另外，使用正确的接线技巧（包括适当的扭矩）也很重要。
• 器件在测试期间出现温度变化和漂移：在测量噪声系数和计算不确定度时，都是假定参数是固定不变的。因此，在校准之后或测量过程中，任何漂移（或其他变化）都会对最终精度造成直接影响。

最后，外部或内部的前置放大器可改善测量仪器的本底噪声，从而改善噪声系数的精确度。前置放大器必须在测试频率内具有极低的噪声系数才会有所裨益。

优化相位噪声性能，实现密集的星座图和窄信道间隔

相位噪声是接收机中的一个普遍问题，它可能会以各种方式降低性能。特别是在解调过程中，它会扭曲 I/Q 符号的位置，在 OFDM 系统中造成载波间干扰，进而使解调出现误差。相位噪声还会影响信噪比（SNR）。通常只有一小部分的相位噪声会出现在接收机输入端的信号中，而更多的部分则不可避免地会被添加到了后续的降频环节。

在载波偏置较小时相位噪声会大幅增加。如您所料，这种效应在较窄的载波间距内，其后果会更严重。而在当下为了提高频谱效率，很多无线系统都采用 OFDM 物理层，子载波间距变得越来越窄。较窄的子载波间距会增加与特定的相位噪声量相关的问题；然而，要想解决这种问题，只靠简单地减少接收机中的振荡器或合成器的相位噪声并不实用。若想在总体上减少相位噪声，通常需要耗费巨大的资金成本，并且需要更多的功率或物理空间。幸好，OFDM 系统借助子载波追踪充分打开了解决这个难题的空间。OFDM 解调器会持续追踪已知的“导频”子载波和嵌入到发射信号中的符号，并且基于这一信息实时校正一定数量的相位噪声。

设计接收机时的很大挑战在于，我们需要了解上述追踪的有效性，进而了解设计中允许的最大相位噪声量，并且以此来优化接收机的性能、成本和电池寿命。

控制测试系统中的相位噪声

一些信号发生器生成的信号具有极低的相位噪声，而且远远低于它们将要替代的器件或子系统的相位噪声。这样就可以作为非常有用的参考来帮助测量残余相位噪声，或进一步收窄排除故障的范围。然而，在对接收机进行整体优化，尤其是优化导频追踪时，信号发生器更为重要的一个作用是：生成已知的、量能适当的相位噪声，并且有效地将其分布在不同频率上。为了生成降频转换信号链或相位噪声得到了精确减损的 OFDM 信号，Keysight N5182B MXG X 系列信号发生器通过实时基带处理技术，提供了相位噪声抑制能力。在大多数情况下，噪声量和频谱形状可以基于相位噪声的消隐电平（pedestal level）和消隐电平的频率分界点（起点和终点）进行设定。图 2 示出了信号发生器的相关配置界面（含目标曲线），以及信号分析仪利用相位噪声测量应用软件进行的相应测量。

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