混合波束成形接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍理論實(shí)踐

作者：Peter Delos、Sam Ringwood和Michael Jones

本文介紹了相控陣混合波束成形架構(gòu)中接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)的測量與分析的以下比較。商用 32 通道開發(fā)平臺(tái)用于通過測量驗(yàn)證分析。回顧了子陣列波束成形的接收機(jī)分析，重點(diǎn)是處理模擬子陣列中信號(hào)組合點(diǎn)時(shí)信號(hào)增益和噪聲增益之間的差異。顯示了對開發(fā)平臺(tái)接收器性能的分析，并與測量結(jié)果進(jìn)行了比較。討論了結(jié)果摘要，旨在提供一個(gè)測量與建模的參考點(diǎn)，可用于預(yù)測大型系統(tǒng)的性能。

介紹

相控陣波束成形架構(gòu)大致可分為模擬波束成形系統(tǒng)、數(shù)字波束成形系統(tǒng)或兩者的某種組合，利用模擬子陣列進(jìn)行數(shù)字處理以形成最終的天線波束方向圖。后一類基于數(shù)字組合的子陣列通常稱為混合波束成形，因?yàn)樗褂媚M和數(shù)字波束成形的組合。

在業(yè)界對軟件定義天線的追求中，人們非常希望全數(shù)字相控陣能夠最大限度地提高天線模式可編程性。在實(shí)踐中，特別是隨著頻率的增加，封裝、功耗和數(shù)字處理方面的挑戰(zhàn)迫使數(shù)字通道數(shù)量減少?；旌喜ㄊ尚翁峁┝藢?shí)現(xiàn)工程師通常需要的數(shù)字信道密度緩解，因此在未來一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)成為一種實(shí)用的選擇。

圖1展示了一個(gè)具有代表性的混合波束成形架構(gòu)，顯示了該架構(gòu)中的主要子系統(tǒng)。大多數(shù)混合波束成形系統(tǒng)都是這一概念的某種變體。從右到左的圖表可以直觀地描述架構(gòu)：從空氣中的波前入射到天線元件，通過微波電路到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，然后通過數(shù)字處理并進(jìn)入最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。該圖將混合波束成形架構(gòu)說明為七個(gè)子系統(tǒng)的組合：

天線元件：將空氣中的微波能量轉(zhuǎn)換為同軸介質(zhì)上的微波信號(hào)。

發(fā)送/接收 （T/R） 模塊：這些模塊包含接收低噪聲放大器 （LNA） 和發(fā)射高功率放大器 （HPA） 以及用于在發(fā)射和接收之間進(jìn)行選擇的開關(guān)。

模擬波束成形：將選定數(shù)量的晶片組合成模擬子陣列。

微波上/下變頻：如果工作頻率大于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作范圍，則使用頻率轉(zhuǎn)換從工作頻率轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的中頻（IF）。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：將微波頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字字。

數(shù)字上/下變頻：隨著高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的普及，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器速率通常大于處理帶寬所需的速率。通過使用嵌入在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成電路（IC）中的數(shù)字上/下變頻功能，將同相/正交相位（I/Q）數(shù)據(jù)流降低到與應(yīng)用處理帶寬相稱的較低速率，可以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

數(shù)字波束成形：最后，將I/Q數(shù)據(jù)流組合成加權(quán)和，形成最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。

圖1.通用混合波束成形射頻框圖。

微波工程師在混合波束成形架構(gòu)中面臨的挑戰(zhàn)之一是隨著系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展進(jìn)行性能預(yù)測。級聯(lián)微波分析有據(jù)可查且易于理解。數(shù)字波束成形測量已被記錄在案，2,3,4但是，在外推到更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，記錄的測量與建模的混合波束成形微波指標(biāo)有限，可用作參考。

本文 介紹 了 混合 波束 成形 系統(tǒng) 的 接收 機(jī) 動(dòng)態(tài) 范圍 分析， 并 比較 了 32 單元 混合 波束 成形 測試 平臺(tái) 的 測量 結(jié)果 與 預(yù)測 結(jié)果?；旌喜ㄊ尚卧推脚_(tái)最初是為了在代表性架構(gòu)中驗(yàn)證IC設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)X波段（8 GHz至12 GHz）相控陣架構(gòu)的快速原型設(shè)計(jì)。然而，隨著表征的開始，很明顯需要一種系統(tǒng)地預(yù)測性能指標(biāo)的方法。我們的目的是記錄分析方法以及測量數(shù)據(jù)的比較，使工程師能夠構(gòu)建具有特征參考的類似但更大的系統(tǒng)。

原型硬件

開發(fā)了32元混合波束成形原型平臺(tái)5如圖 2 所示。詳細(xì)的信號(hào)鏈如圖3所示。

圖2.X 波段（8 GHz 至 12 GHz）相控陣原型設(shè)計(jì)和開發(fā)系統(tǒng)。

圖3.原型硬件詳細(xì)框圖。

前端由 32 個(gè)發(fā)送/接收模塊和 8 個(gè)模擬波束成形 IC （BFIC） 組成。兩個(gè) BFIC 輸出組合產(chǎn)生四個(gè) 8 元素子陣列。四個(gè)子陣列連接到 4 通道微波上/下變頻器。然后，4通道微波上/下變頻器連接到包含四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和四個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的數(shù)字化儀IC。ADC的采樣速率為4 GSPS，而DAC的采樣速率為12 GSPS。

表征的微波頻率為8 GHz至12 GHz。本振（LO）設(shè)置為高端LO，固定IF中心為4.5 GHz。在此IF頻率下，ADC在第三個(gè)奈奎斯特區(qū)采樣。

商用FPGA板用于數(shù)據(jù)采集。已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)MATLAB計(jì)算機(jī)控制接口，可以在真實(shí)硬件中快速表征模擬波形。數(shù)據(jù)分析在MATLAB中進(jìn)行后處理。?

模擬子陣列級聯(lián)分析

所有傳統(tǒng)的級聯(lián)方程都適用于模擬子陣列的級聯(lián)分析，但信號(hào)組合點(diǎn)除外。如果信號(hào)在合路器點(diǎn)的幅度和相位匹配，并且噪聲不相關(guān)，則信號(hào)增益和噪聲增益將不同。因此，需要一種方法來以不同的方式跟蹤這些術(shù)語。

使用的方法

圖 4 說明了所使用的方法。圖4a顯示了信號(hào)增益和噪聲增益發(fā)散點(diǎn)。實(shí)合路器具有插入損耗項(xiàng)和理論組合項(xiàng)。這可以如圖4b所示進(jìn)行解釋。最后，如果如圖4c所示跟蹤噪聲溫度，則可以在每個(gè)級的輸入和輸出端跟蹤噪聲功率。

圖4.模擬相干組合的級聯(lián)分析方法：分別跟蹤信號(hào)增益和噪聲增益。跟蹤器件噪聲溫度和折合到輸入端的器件噪聲功率提供了一種分別跟蹤這些增益項(xiàng)的方法。

為了計(jì)算任何級輸出端的噪聲功率，將折合到輸入端的分量噪聲線性添加到輸入噪聲中，然后轉(zhuǎn)換回dBm/Hz并添加到分量噪聲增益中。

要根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算折合到輸入端的噪聲，請計(jì)算噪聲溫度并轉(zhuǎn)換為折合到輸入端的噪聲功率。

噪聲溫度（Te） 可根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算為

其中 T 是以開爾文為單位的環(huán)境溫度。

根據(jù)噪聲溫度，可以計(jì)算出折合到輸入端的元件噪聲：

其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)。

連貫梳理的直觀描述

信號(hào)與噪聲組合的直觀視圖有助于可視化該方法的目的。我們首先假設(shè)已經(jīng)執(zhí)行了校準(zhǔn)，導(dǎo)致所有信號(hào)在幅度和相位上都匹配，并且噪聲不相關(guān)，但在組合器輸入端的所有通道上的幅度也相等。

如果僅啟用了元素的子集，我們還需要一種方法來跟蹤結(jié)果，這在校準(zhǔn)或各種測試和調(diào)試配置中通常就是這種情況。

信號(hào)和噪聲輸出電平可計(jì)算為：

信號(hào)功率 = 輸入功率 + 信號(hào)增益 信號(hào)增益
= 20log（打開通道數(shù)） – 插入損耗 – 10log（合路器輸入端口數(shù)
）

噪聲功率 = 輸入噪聲功率 + 噪聲增益 噪聲增益
= 10log（打開通道數(shù)） – 插入損耗 – 10log（
合路器輸入端口數(shù)）

請注意此方法的結(jié)果。表1總結(jié)了幾個(gè)模擬合路器通道數(shù)的信號(hào)增益和噪聲增益，包括每個(gè)輸入都通電和校準(zhǔn)的情況，或者只有一個(gè)輸入而其他端口端接的情況。

級聯(lián)電子表格

使用所述方法，創(chuàng)建了圖 5 中的級聯(lián)電子表格。包括跟蹤啟用的元素?cái)?shù)量的規(guī)定。顯示了啟用單個(gè)元素的情況以及啟用所有八個(gè)元素的情況。

圖5.級聯(lián)計(jì)算。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器捕獲數(shù)據(jù)后，測量結(jié)果來自數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的快速傅里葉變換（FFT），因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格包含在結(jié)果中。跟蹤的最終指標(biāo)是稱為接收器輸入的 ADC 指標(biāo)。為了快速驗(yàn)證測量結(jié)果，還計(jì)算了給定輸入功率的預(yù)期FFT幅度和互調(diào)積。

測量數(shù)據(jù)

測試設(shè)備

測試設(shè)置如圖2和圖3所示。用于提供接收器輸入、LO、ADC采樣時(shí)鐘和整體系統(tǒng)參考時(shí)鐘的特定實(shí)驗(yàn)室設(shè)備如表2所示。利用系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字化儀IC捕獲以下結(jié)果中顯示的樣本。

校準(zhǔn)

對于所有測量，在數(shù)據(jù)分析之前都要進(jìn)行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)由 32 個(gè)天線元件、8 個(gè) BFIC 和一個(gè)包含 4 個(gè) ADC 的數(shù)字化儀 IC 組成。四個(gè)數(shù)字化儀 IC ADC 信號(hào)鏈中的每一個(gè)都包括數(shù)字下變頻器形式的硬化數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 模塊，其內(nèi)部是數(shù)控振蕩器 （NCO），能夠在子陣列級別的四個(gè)數(shù)字化通道中的每一個(gè)上應(yīng)用相移。因此，八個(gè)天線元件構(gòu)成本文定義的單個(gè)子陣列，并共享一個(gè)公共ADC和DSP信號(hào)鏈。系統(tǒng)中可用的相位和幅度調(diào)整通過 BIC 在模擬域中實(shí)現(xiàn)，并通過 NCO 和可編程有限脈沖響應(yīng) （PFIR） 模塊在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。

最初，選擇通道 1 作為所有其他通道對齊的基線。在模擬域中，BFIC 可變增益放大器 （VGA） 用于對齊整個(gè)陣列的幅度，BFIC 移相器 （PS） 用于對齊子陣列內(nèi)的相位。在數(shù)字域中，NCO相位偏移用于對齊每個(gè)子陣列的相位。

校準(zhǔn)首先為每個(gè)子陣列一次啟用一個(gè)模擬通道（例如，通道1、通道3、通道17和通道19，如圖6右側(cè)所示），以便數(shù)字化儀IC上的四個(gè)ADC同時(shí)對總共四個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這允許計(jì)算每個(gè)子陣列通道的相對相位偏移誤差，該誤差與每個(gè)子陣列之間的相位誤差直接相關(guān)。在計(jì)算出相對于參考通道1的所有三個(gè)通道的相位偏移誤差后，將應(yīng)用計(jì)算出的NCO相位偏移，并按通道補(bǔ)償該相位誤差，使所有子陣列同相對齊。

圖6.校準(zhǔn)利用了模擬相位控制和數(shù)字相位控制旋鈕。

在此之后，子陣列 2、3 和 4 中的原始三個(gè)通道被禁用，子陣列 2、3 和 4 中的三個(gè)獨(dú)立通道被啟用。相對于子陣列1上的基線通道1，同時(shí)捕獲所有四個(gè)通道，可以計(jì)算這三個(gè)新通道的相位誤差。一旦計(jì)算出這些相位誤差，就會(huì)使用BFIC移相器來補(bǔ)償該相位誤差。重復(fù)此過程，直到模擬域和數(shù)字域中的所有通道都相位對齊。為了對齊子陣列 1 中的每個(gè)通道，將子陣列 2 中的相位對齊通道 3 用作比較點(diǎn)，因?yàn)樗谛?zhǔn)序列的第一步之前進(jìn)行了相位對齊。結(jié)果是模擬相位調(diào)整補(bǔ)償子陣列內(nèi)的相位誤差，而NCO相位偏移補(bǔ)償子陣列之間的相位誤差。

FFT

所有性能測量均基于連續(xù)波 （CW） 數(shù)據(jù)捕獲的 FFT 進(jìn)行評估。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為相干頻率，F(xiàn)FT中不應(yīng)用加權(quán)。 圖7顯示了單音測量的代表性FFT。

圖7.單音FFT，顯示RF輸入為~10 GHz、–50 dBm、LO = 14.5 GHz、5 dBm、4 GSPS、粗NCO= 550 MHz、DDC：16×、250 MSPS I/Q數(shù)據(jù)速率和FFT，4096個(gè)樣本。

從左到右的圖是：啟用單個(gè)元素，子陣列中的所有八個(gè)元素以及數(shù)字組合的四個(gè)子陣列。從這些FFT中，我們可以開始觀察到混合波束成形對接收器動(dòng)態(tài)范圍的影響。

當(dāng)子陣列中啟用 N 個(gè)元件時(shí)，信號(hào)功率增加 20logN。噪聲功率也增加，整體信噪比提高。

當(dāng)子陣列以數(shù)字方式組合時(shí)，數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)位增長?；陬~外位執(zhí)行FFT會(huì)導(dǎo)致相對于滿量程的信號(hào)電平保持不變，但噪聲相對于滿量程降低。

許多元件上的雜散成分在子陣列級別上增加幅度，但在子陣列之間不相關(guān)，并在全陣列級別降低為噪聲。

圖8顯示了雙音測量的代表性FFT。這些圖從左到右依次為：啟用單個(gè)元素、子陣列中的所有八個(gè)元素以及數(shù)字組合的四個(gè)子數(shù)組。減小了FFT跨度，以實(shí)現(xiàn)互調(diào)產(chǎn)物的可視化。

圖8.具有RF輸入的雙音FFT：~10 GHz，–50 dBm LO = 14.5 GHz，5 dBm，具有4 GSPS，粗NCO= 550 MHz的ADC，DDC：16×，250 MSPS I/Q數(shù)據(jù)速率，以及具有4096個(gè)樣本的FFT，繪圖放大到±10 MHz。

互調(diào)產(chǎn)物隨著元件的啟用而增加。這是由于合路器后電路中的功率更高，因此互調(diào)產(chǎn)物更高。然而，由于模擬子陣列以數(shù)字方式組合，雙音信號(hào)和互調(diào)產(chǎn)物的幅度接近平均值。

在此測試配置中，觀察到主載波裙邊的相關(guān)相位噪聲。在這種配置中，所有通道都有一個(gè)公共LO、一個(gè)公共RF輸入和公共電源。在實(shí)踐中，對于大型陣列，應(yīng)避免這種情況。有關(guān)陣列中跟蹤相關(guān)噪聲與不相關(guān)噪聲的進(jìn)一步討論，請參閱文章“在16通道演示器中驗(yàn)證的基于經(jīng)驗(yàn)的多通道相位噪聲模型”、“相控陣分布式直接采樣S波段接收器的測量摘要”和“具有分布式鎖相環(huán)的相控陣的系統(tǒng)級LO相位噪聲模型”。

性能測量

圖9提供了全面的接收器性能測量摘要。

圖9a是FFT在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的相對于滿量程的幅度。利用這些數(shù)據(jù)和輸入功率，可以如圖9b所示計(jì)算接收器滿量程電平。

圖9c是在FFT處理中計(jì)算的以dBFS/Hz為單位的噪聲頻譜密度（NSD）。去掉了載波周圍的幾個(gè)FFT箱，因此噪聲代表白噪聲，不受測試配置的相位噪聲的影響。

基于圖9a和圖9c，可以計(jì)算信噪比（SNR），如圖9d所示。觀察到兩種效果。首先，在子陣列級別，信噪比的增加略高于10logN。這是因?yàn)槭崂砗蟮脑肼暪β瘦^高，合路器后器件的噪聲系數(shù)影響較小。其次，隨著子陣列以數(shù)字方式組合，SNR增加10logN。

圖9e顯示了單個(gè)元件、子陣列和完整數(shù)字化陣列的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。隨著更多元素添加到數(shù)組中，我們看到持續(xù)改進(jìn)，表明測試配置中的所有雜散都是不相關(guān)的。

圖9f顯示了輸入三階交調(diào)截點(diǎn)（IIP3）。這個(gè)結(jié)果直觀地來自雙音FFT。由于互調(diào)產(chǎn)物的增加，子陣列IIP3較低。陣列級 IIP3 接近子陣列級的平均值。

請注意，對于所有這些測量值，數(shù)據(jù)非常接近級聯(lián)分析中的建模值。除圖 9d 和 9e 之外的所有圖都包含建模值，因?yàn)檫@些圖是間接確定的，未在電子表格中明確定義。

圖9.接收器性能測量。

意見摘要

從假設(shè)所有信號(hào)在相位和幅度上對齊開始，測量結(jié)果與預(yù)測非常吻合。級聯(lián)分析需要在模擬合路器點(diǎn)分離信號(hào)增益和噪聲增益。基于噪聲輸入和器件輸入?yún)⒖荚肼暩櫾肼暪β适且环N有效的方法。

在打開通道時(shí)的子陣列級別：

信噪比的提高略大于10logN。

信號(hào)增加 20logN。

噪聲增加略小于10logN。

模擬合路器后的噪聲功率較大。

模擬合路器之后組件的NF影響較小。

IIP3隨著信號(hào)組合而降低，因?yàn)?br /> 模擬合路器之后器件上的信號(hào)較大。

雜散通常在模擬子陣列中相關(guān)。這是因?yàn)?br /> 源位于模擬合路器之后，因此無論微波信道是否使能，都會(huì)測量
相同的雜散。

當(dāng)子陣列以數(shù)字方式組合時(shí)：

信噪比增加 10logN

信號(hào)功率保持恒定

以 dBFS/Hz 為單位的噪聲功率降低

IIP3 接近平均值

觀察到的雜散在數(shù)字渠道中是不相關(guān)的。

相關(guān)相位噪聲項(xiàng)值得注意。在此測試配置中觀察到相關(guān)相位噪聲。這可以從圖8中的近噪聲中看出，其中頻率軸被放大到足以顯示效果。使用來自測試設(shè)備的通用微波輸入和LO輸入。這意味著微波信號(hào)和LO相位噪聲是相關(guān)的。共享功率也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)貢獻(xiàn)，并且在此測試配置中共享電壓。在此測試配置中，我們沒有在接收機(jī)測試期間調(diào)試相關(guān)相位噪聲的主要來源。但是，注意到這一點(diǎn)，并且仍然是此硬件中未來調(diào)查的一個(gè)領(lǐng)域。

審核編輯：郭婷