簡(jiǎn)介

在大型數(shù)字波束合成天線中,，人們非常希望通過組合來自分布式波形發(fā)生器和接收器的信號(hào)這一波束合成過程改善動(dòng)態(tài)范圍,。如果關(guān)聯(lián)誤差項(xiàng)不相關(guān),，則可以在噪聲和雜散性能方面使動(dòng)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(gè)非常隨機(jī)的過程，因此非常適合跟蹤相關(guān)和不相關(guān)的噪聲源,。然而,，雜散信號(hào)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(hào)去相關(guān)的任何設(shè)計(jì)方法對(duì)相控陣系統(tǒng)架構(gòu)都是有價(jià)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(hào)去相關(guān),。然后，我們將展示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(cè)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(shí)日,。已知的第一份文獻(xiàn)1可以追溯到2002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(hào),。然后，接收器的非線性分量使信號(hào)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(hào)變得相干或相關(guān),，但不會(huì)恢復(fù)失真項(xiàng),。在測(cè)試中實(shí)現(xiàn)的修改方法是將每個(gè)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(gè)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)方法提供了可能：“Correlation of Nonlinear Distortion in Digital Phased Arrays：Measurement and Mitigation”（數(shù)字相控陣中的非線性失真：測(cè)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(gè)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,。Daniel Rabinkin的文章“Front-End Nonlinear Distortion and Array Beamforming”（前端非線性失真與陣列波形合成）詳細(xì)地討論了各種直接變頻架構(gòu)。4 LO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,。Peter Delos的文章《A Review of Wideband RF Receiver Architecture Options》（寬帶射頻接收器架構(gòu)的選項(xiàng)）對(duì)數(shù)字下變頻進(jìn)行了進(jìn)一步的描述。5

接下來,，我們將展示一種方法,，可以用于在多個(gè)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(gè)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(gè)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。我們將詳細(xì)描述波形發(fā)生器的方法,，展示波形發(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展示了一個(gè)帶有來自直接變頻架構(gòu)的兩個(gè)發(fā)送信號(hào)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出現(xiàn)在LO的相對(duì)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(shí),，雜散頻率也處于相同的頻率,，如圖3a所示。圖3b所示為L(zhǎng)O2的設(shè)置頻率高于LO1的情況,。數(shù)字NCO同等地偏移,，使RF信號(hào)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(hào)的光譜示例,。三個(gè)示例：(a) 無雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合CW信號(hào)；(b) 強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合CW信號(hào),；以及 (c) 強(qiáng)制雜散去相關(guān)的兩個(gè)組合調(diào)制信號(hào),。

測(cè)量結(jié)果

組裝了一個(gè)基于收發(fā)器的8通道射頻測(cè)試臺(tái),，用于評(píng)估相控陣應(yīng)用的收發(fā)器產(chǎn)品線。評(píng)估波形發(fā)生器的測(cè)試設(shè)置如圖4所示,。在該測(cè)試中,，將相同的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于所有波形發(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(hào)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(cè)試設(shè)置

接下來，我們將展示測(cè)試數(shù)據(jù),，比較以下兩種情況下的雜散性能：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(gè)雙通道器件內(nèi)共用一個(gè)LO（見圖1）,，因此對(duì)于8個(gè)射頻通道來說,，共有4個(gè)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,。在這種情況下，由鏡像,、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號(hào)都處于相同的頻率,。圖5所示為通過頻譜分析儀測(cè)得的各發(fā)射輸出。圖6所示為組合輸出,。在這個(gè)特定的測(cè)試中,，相對(duì)于載波以dBc為單位測(cè)量的鏡像雜散和LO泄漏雜散展現(xiàn)出改善的跡象，但三次諧波沒有改善,。在測(cè)試中,，我們發(fā)現(xiàn)，三次諧波在各個(gè)通道之間始終相關(guān),，鏡像頻率始終不相關(guān),，LO頻率根據(jù)啟動(dòng)條件而變化。這反映在圖3a中,，其中,，我們展示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）,。注意，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(shí)調(diào)整數(shù)字NCO的頻率和相位,，使得信號(hào)相干地組合,。在這種情況下,，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產(chǎn)生的雜散信號(hào)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(cè)得的各發(fā)射輸出,。圖8所示為組合輸出。在這個(gè)測(cè)試中,，相對(duì)于載波以dBc為單位測(cè)量的鏡像雜散,、LO泄漏雜散和三次諧波雜散開始擴(kuò)散進(jìn)噪聲，將通道組合起來后,，每種雜散都展現(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）。注意,，在這種情況下,，雜散的頻率有所擴(kuò)散，并且相對(duì)于單個(gè)通道SFDR,，其SFDR有明顯的改善

當(dāng)組合非常少量的通道時(shí),，比如在本測(cè)試中，雜散的相對(duì)水平實(shí)際上提高了20log(N),。這是由于信號(hào)分量相干地組合并以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)。原因有二,。首先,，在組合大量信號(hào)的情況下，充分?jǐn)U散雜散以獨(dú)立考慮每個(gè)雜散是不現(xiàn)實(shí)的,。以1 MHz調(diào)制帶寬為例,。如果規(guī)格規(guī)定，要在1 MHz帶寬內(nèi)測(cè)量雜散輻射,，那么最好擴(kuò)散雜散,，使它們相距至少1 MHz,。如果無法做到,，則每1 MHz的測(cè)量帶寬都會(huì)包括多個(gè)雜散分量。由于這些分量將處于不同的頻率,，所以,，它們將不相干地組合，并且在每1 MHz帶寬中測(cè)得的雜散功率將以10log(N)遞增,。然而,，任一1 MHz測(cè)量帶寬都不會(huì)包含所有雜散,，因此在這種情況下，雜散N小于信號(hào)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(cè)量帶寬內(nèi)容納多個(gè)雜散,，則與無雜散信號(hào)去相關(guān)的系統(tǒng)相比,，絕對(duì)改善量仍然優(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(gè)測(cè)試是用CW信號(hào)完成的，但現(xiàn)實(shí)信號(hào)會(huì)被調(diào)制,，這將導(dǎo)致它們擴(kuò)散,，使得在組合大量信道的情況下，不可能實(shí)現(xiàn)不重疊的雜散信號(hào),。這些重疊的雜散信號(hào)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(shí),，需要特別注意LO泄漏分量,。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)分支相加時(shí)，模擬調(diào)制器中LO的不完全消除,，這是導(dǎo)致LO泄漏的原因,。如果幅度和相位不平衡是隨機(jī)誤差，則剩余LO泄漏分量的相位也將是隨機(jī)的,，并且當(dāng)將許多不同的收發(fā)器的LO泄漏相加時(shí),，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)制器的鏡像分量也應(yīng)如此,，但調(diào)制器的三次諧波則不一定這樣。在少量通道被相干組合的情況下,，LO相位不太可能是完全隨機(jī)的,，因此測(cè)得數(shù)據(jù)中展示了部分去相關(guān)的原因。由于信道數(shù)量非常多,，因此,，不同通道的LO相位更接近隨機(jī)條件，并且預(yù)計(jì)為不相關(guān)疊加,。

結(jié)論

當(dāng)LO和NCO的頻率偏移時(shí),，結(jié)果會(huì)測(cè)得SFDR，其清楚地表明，所產(chǎn)生的雜散全部處于不同頻率并且在組合過程中不相關(guān),，從而確保在組合通道時(shí)SFDR能得到改善?，F(xiàn)在，在ADI公司的收發(fā)器產(chǎn)品中,，LO和NCO頻率控制已經(jīng)成為一種可編程的特性,。結(jié)果表明，該功能可用于相控陣應(yīng)用,，相比單通道性能,，可確保陣列級(jí)的SFDR改善。

參考文獻(xiàn)

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3 Keir Lauritzen，“Correlation of Signals, Noise, and Harmonics in Parallel Analog-to-Digital Converter Arrays”（并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列中的信號(hào),、噪聲與諧波相關(guān)性）,，博士論文，馬里蘭大學(xué),，2009年,。

4 Rabinkin，Song,，“Front-End Nonlinear Distortion and Array Beamforming”（前端非線性失真與陣列波形合成）,，Radio and Wireless Symposium (RWS) 2015 IEEE。

5 Peter Delos,，“A Review of Wideband RF Receiver Architecture Options”（寬帶射頻接收器架構(gòu)選項(xiàng)綜述）,，ADI公司，2017年2月,。

Delos,，Peter，“Can Phased Arrays Calibrate on Noise?”（相控陣能校準(zhǔn)噪聲嗎）,，Microwave Journal,，2018年3月,。

Jonathan Harris,，“What’s Up with Digital Downconverters—Part 1”（數(shù)字下變頻器的發(fā)展和更新——第一部分）,，《模擬對(duì)話》，2016年7月,。

Jonathan Harris,，“What’s Up with Digital Downconverters—Part 2”（數(shù)字下變頻器的發(fā)展和更新——第一部分），《模擬對(duì)話》,，2016年11月,。

Howard，Lincoln,、Nina Simon和Daniel Rabideau,，“Mitigation of Correlated Nonlinearities in Digital Phased Arrays Using Channel- Dependent Phase Shifts”（運(yùn)用通道依賴型相移緩解數(shù)字相控陣中的相關(guān)非線性問題），2003 EEE MTT-S Digest,。

作者簡(jiǎn)介 

Peter Delos是ADI公司航空航天和防務(wù)部門的技術(shù)主管,，在美國(guó)北卡羅萊納州格林斯博羅工作。他于1990年獲得美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位,，并于2004年獲得美國(guó)新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位,。Peter擁有超過25年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。其職業(yè)生涯的大部分時(shí)間花在高級(jí)RF/模擬系統(tǒng)的架構(gòu),、PWB和IC設(shè)計(jì)上,。他目前專注于面向相控陣應(yīng)用的高性能接收器、波形發(fā)生器和合成器設(shè)計(jì)的小型化工作,。

Mark Robertson本科于1990年畢業(yè)于劍橋大學(xué),，獲電氣與信息科學(xué)學(xué)位。2012年,，他在英國(guó)巴斯加盟ADI公司,，擔(dān)任系統(tǒng)工程師；此前,，先后在測(cè)試和測(cè)量,、手機(jī)和蜂窩基站等多個(gè)行業(yè)的多家公司供職，擔(dān)任射頻和模擬電路設(shè)計(jì)工程師,。他仍然喜歡隨時(shí)設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)電路,。

Mike Jones是ADI公司航空航天與防務(wù)部門的一名首席電氣設(shè)計(jì)工程師，在美國(guó)北卡羅來納州格林斯博羅工作,。他于2016年加入ADI公司,。從2007年到2016年，他在北卡羅來納州威爾明頓的通用電氣公司工作,，擔(dān)任微波光子學(xué)設(shè)計(jì)工程師,，致力于研發(fā)核工業(yè)微波和光學(xué)解決方案。他于2004年獲得北卡羅來納州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位，2006年獲得北卡羅來納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位,。