【無線射頻芯片】-射頻收發(fā)器在數(shù)字波束合成相控陣中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制雜散去相關(guān)性

1/1射頻收發(fā)器在數(shù)字波束合成相控陣中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制雜散去相關(guān)性簡介

在大型數(shù)字波束合成天線中，人們特別盼望通過組合來自分布式波形發(fā)生器和接收器的信號這一波束合成過程改善動態(tài)范圍。假如關(guān)聯(lián)誤差項不相關(guān)，則可以在噪聲和雜散性能方面使動態(tài)范圍提升10logN。這里的N是波形發(fā)生器或接收器通道的數(shù)量。噪聲在本質(zhì)上是一個特別隨機(jī)的過程，因此特別適合跟蹤相關(guān)和不相關(guān)的噪聲源。然而，雜散信號的存在增加了強(qiáng)制雜散去相關(guān)的難度。因此，可以強(qiáng)制雜散信號去相關(guān)的任何設(shè)計方法對相控陣系統(tǒng)架構(gòu)都是有價值的。

在本文中，我們將回顧以前發(fā)布的技術(shù)，這些技術(shù)通過偏移LO頻率并以數(shù)字方式補(bǔ)償此偏移，強(qiáng)制雜散信號去相關(guān)。然后，我們將展現(xiàn)ADI公司的最新收發(fā)器產(chǎn)品，ADRV9009，說明其集成的特性如何實(shí)現(xiàn)這一功能。然后，我們以測量數(shù)據(jù)結(jié)束全文，證明這種技術(shù)的效果。

已知雜散去相關(guān)方法

在相控陣中，用于強(qiáng)制雜散去相關(guān)的各種方法問世已有些時日。已知的第一份文獻(xiàn)1可以追溯到2023年，該文描述了用于確保接收器雜散不相關(guān)的一種通用方法。在這種方法中，先以已知方式，修改從接收器到接收器的信號。然后，接收器的非線性重量使信號失真。在接收器輸出端，將剛才在接收器中引入的修改反轉(zhuǎn)。目標(biāo)信號變得相干或相關(guān)，但不會恢復(fù)失真項。在測試中實(shí)現(xiàn)的修改方法是將每個本振(LO)頻率合成器設(shè)置為不同的頻率，然后在數(shù)字處理過程中以數(shù)字方式調(diào)諧數(shù)控振蕩器(NCO)，以校正修改。文獻(xiàn)里還提到了若干其他方法2,3。

多年以后，隨著完整的收發(fā)器子系統(tǒng)被先進(jìn)地集成到單個單片硅片當(dāng)中，收發(fā)器產(chǎn)品中的嵌入式可編程特性為實(shí)現(xiàn)以下文章描述的雜散去相關(guān)方法供應(yīng)了可能："CorrelationofNonlinearDistortioninDigitalPhasedArrays：MeasurementandMitigation'（數(shù)字相控陣中的非線性失真：測量與緩解）。1

實(shí)現(xiàn)雜散去相關(guān)的收發(fā)器功能

圖1所示為ADI公司收發(fā)器ADRV9009的功能框圖。

圖1.ADRV9009功能框圖

每個波形發(fā)生器或接收器都是用直接變頻架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。DanielRabinkin的文章"Front-EndNonlinearDistortionandArrayBeamforming'（前端非線性失真與陣列波形合成）具體地爭論了各種直接變頻架構(gòu)。4LO頻率可以獨(dú)立編程到各IC上。數(shù)字處理部分包括數(shù)字上/下變頻，其NCO也可跨IC獨(dú)立編程。PeterDelos的文章《AReviewofWidebandRFReceiverArchitectureOptions》（寬帶射頻接收器架構(gòu)的選項）對數(shù)字下變頻進(jìn)行了進(jìn)一步的描述。5

接下來，我們將展現(xiàn)一種方法，可以用于在多個收發(fā)器上強(qiáng)制雜散去相關(guān)。首先，通過編程板載鎖相環(huán)(PLL)偏移LO的頻率。然后，設(shè)置NCO的頻率，以數(shù)字化補(bǔ)償施加的LO頻率偏移。通過調(diào)整收發(fā)器IC內(nèi)部的兩個特性，進(jìn)出收發(fā)器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不必在頻率上偏移，整個頻率轉(zhuǎn)換和寄生去相關(guān)功能都內(nèi)置在收發(fā)器IC中。

圖2所示為具有代表性的波形發(fā)生器陣列功能框圖。我們將具體描述波形發(fā)生器的方法，展現(xiàn)波形發(fā)生器的數(shù)據(jù)，但該方法同樣適用于任何接收器陣列。

圖2.通過編程波形發(fā)生器陣列的LO和NCO頻率，強(qiáng)制雜散去相關(guān)

為了從頻率角度說明概念，圖3展現(xiàn)了一個帶有來自直接變頻架構(gòu)的兩個發(fā)送信號的示例。在這些示例中，射頻位于LO的高端。在直接變頻架構(gòu)中，鏡像頻率和三次諧波消失在LO的相對側(cè)，并顯示在LO頻率下方。當(dāng)將不同通道的LO頻率設(shè)置為相同的頻率時，雜散頻率也處于相同的頻率，如圖3a所示。圖3b所示為LO2的設(shè)置頻率高于LO1的狀況。數(shù)字NCO同等地偏移，使RF信號實(shí)現(xiàn)相干增益。鏡像和三次諧波失真積處于不同的頻率，因此不相關(guān)。圖3c所示為與圖3b相同的配置，只是RF載波添加了調(diào)制。

圖3.用頻率顯示雜散信號的光譜示例。三個示例：(a)無雜散去相關(guān)的兩個組合CW信號；(b)強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個組合CW信號；以及(c)強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個組合調(diào)制信號。

測量結(jié)果

組裝了一個基于收發(fā)器的8通道射頻測試臺，用于評估相控陣應(yīng)用的收發(fā)器產(chǎn)品線。評估波形發(fā)生器的測試設(shè)置如圖4所示。在該測試中，將相同的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于全部波形發(fā)生器。通過調(diào)整NCO相位實(shí)施跨通道校準(zhǔn)，以確保射頻信號在8路組合器處同相并且相干地組合。

圖4.波形發(fā)生器雜散測試設(shè)置

接下來，我們將展現(xiàn)測試數(shù)據(jù)，比較以下兩種狀況下的雜散性能：一是將LO和NCO都設(shè)為相同的頻率；二是偏移LO和NCO的頻率。所使用的收發(fā)器在一個雙通道器件內(nèi)共用一個LO（見圖1），因此對于8個射頻通道來說，共有4個不同的LO頻率。

在圖5和圖6中，收發(fā)器NCO和LO都設(shè)置為相同的頻率。在這種狀況下，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號都處于相同的頻率。圖5所示為通過頻譜分析儀測得的各放射輸出。圖6所示為組合輸出。在這個特定的測試中，相對于載波以dBc為單位測量的鏡像雜散和LO泄漏雜散呈現(xiàn)出改善的跡象，但三次諧波沒有改善。在測試中，我們發(fā)覺，三次諧波在各個通道之間始終相關(guān)，鏡像頻率始終不相關(guān)，LO頻率依據(jù)啟動條件而變化。這反映在圖3a中，其中，我們展現(xiàn)了三次諧波的相干疊加、鏡像頻率的非相干疊加以及LO泄漏頻率的部分相干疊加。

圖5.各通道的波形發(fā)生器雜散（LO和NCO設(shè)為相同的頻率）

圖6.組合波形發(fā)生器雜散（LO和NCO設(shè)為相同的頻率）。留意，在這種配置中，三次諧波雜散沒有改善

在圖7和圖8中，收發(fā)器LO全部設(shè)為不同的頻率，并且同時調(diào)整數(shù)字NCO的頻率和相位，使得信號相干地組合。在這種狀況下，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號被強(qiáng)制設(shè)為不同的頻率。圖7所示為通過頻譜分析儀測得的各放射輸出。圖8所示為組合輸出。在這個測試中，相對于載波以dBc為單位測量的鏡像雜散、LO泄漏雜散和三次諧波雜散開頭集中進(jìn)噪聲，將通道組合起來后，每種雜散都呈現(xiàn)出改善的跡象。

圖7.各通道的波形發(fā)生器雜散（LO和NCO的頻率偏移）

圖8.組合波形發(fā)生器雜散（LO和NCO頻率偏移）。留意，在這種狀況下，雜散的頻率有所集中，并且相對于單個通道SFDR，其SFDR有明顯的改善

當(dāng)組合特別少量的通道時，比如在本測試中，雜散的相對水平實(shí)際上提高了20log(N)。這是由于信號重量相干地組合并以20log(N)遞增，而雜散根本沒有組合。在實(shí)踐中，通過組合大通道陣列和更多通道，改善程度有望接近10log(N)。緣由有二。首先，在組合大量信號的狀況下，充分集中雜散以獨(dú)立考慮每個雜散是不現(xiàn)實(shí)的。以1MHz調(diào)制帶寬為例。假如規(guī)格規(guī)定，要在1MHz帶寬內(nèi)測量雜散輻射，那么最好集中雜散，使它們相距至少1MHz。假如無法做到，則每1MHz的測量帶寬都會包括多個雜散重量。由于這些重量將處于不同的頻率，所以，它們將不相干地組合，并且在每1MHz帶寬中測得的雜散功率將以10log(N)遞增。然而，任一1MHz測量帶寬都不會包含全部雜散，因此在這種狀況下，雜散N小于信號N；盡管改進(jìn)增量為10log(N)，但一旦N足夠大，使其雜散密度能在測量帶寬內(nèi)容納多個雜散，則與無雜散信號去相關(guān)的系統(tǒng)相比，肯定改善量仍舊優(yōu)于10log(N)也就是說，改善量將介于10log(N)和20log(N)分貝（或dB）之間。其次，這個測試是用CW信號完成的，但現(xiàn)實(shí)信號會被調(diào)制，這將導(dǎo)致它們集中，使得在組合大量信道的狀況下，不行能實(shí)現(xiàn)不重疊的雜散信號。這些重疊的雜散信號將是不相關(guān)的，并且在重疊區(qū)域以10log(N)不相干地遞增。

當(dāng)將不同通道的LO設(shè)為相同頻率時，需要特殊留意LO泄漏重量。當(dāng)兩個信號分支相加時，模擬調(diào)制器中LO的不完全消退，這是導(dǎo)致LO泄漏的緣由。假如幅度和相位不平衡是隨機(jī)誤差，則剩余LO泄漏重量的相位也將是隨機(jī)的，并且當(dāng)將很多不同的收發(fā)器的LO泄漏相加時，即使它們的頻率完全相同，它們也將以10log(N)不相干地疊加。調(diào)制器的鏡像重量也應(yīng)如此，但調(diào)制器的三次諧波則不肯定這樣。在少量通道被相干組合的狀況下，LO相位不太可能是完全隨機(jī)的，因此測得數(shù)據(jù)中展現(xiàn)了部分去相關(guān)的緣由。由于信道數(shù)量特別多，因此，不同通道的LO相位更