在本文中，我們將回顧以前發布的技術
，這些技術通過偏移LO頻率並以數字方式補償此偏移
，強製雜散信號去相關。然後，我們將展示ADI公司的最新收發器產品，ADRV9009
，說明其集成的特性如何實現這一功能。然後，我們以測量數據結束全文，證明這種技術的效果。

 

已知雜散去相關方法

 

在相控陣中，用於強製雜散去相關的各種方法問世已有些時日。已知的第一份文獻1可以追溯到2002nian，gaiwenmiaoshuleyongyuquebaojieshouqizasanbuxiangguandeyizhongtongyongfangfa。zaizhezhongfangfazhong
，xianyiyizhifangshi，，xiugaicongjieshouqidaojieshouqidexinhao。ranhou
，jieshouqidefeixianxingfenliangshixinhaoshizhen。zaijieshouqishuchuduan，jianggangcaizaijieshouqizhongyinrudexiugaifanzhuan。mubiaoxinhaobiandexiangganhuoxiangguan，danbuhuihuifushizhenxiang。zaiceshizhongshixiandexiugaifangfashijiangmeigebenzhen(LO)頻率合成器設置為不同的頻率，然後在數字處理過程中以數字方式調諧數控振蕩器(NCO)
，以校正修改。文獻裏還提到了若幹其他方法2, 3。

 

多(duo)年(nian)以(yi)後(hou)
，隨(sui)著(zhe)完(wan)整(zheng)的(de)收(shou)發(fa)器(qi)子(zi)係(xi)統(tong)被(bei)先(xian)進(jin)地(di)集(ji)成(cheng)到(dao)單(dan)個(ge)單(dan)片(pian)矽(gui)片(pian)當(dang)中(zhong)
，收(shou)發(fa)器(qi)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)可(ke)編(bian)程(cheng)特(te)性(xing)為(wei)實(shi)現(xian)以(yi)下(xia)文(wen)章(zhang)描(miao)述(shu)的(de)雜(za)散(san)去(qu)相(xiang)關(guan)方(fang)法(fa)提(ti)供(gong)了(le)可(ke)能(neng)：“Correlation of Nonlinear Distortion in Digital Phased Arrays：Measurement and Mitigation”（數字相控陣中的非線性失真：測量與緩解）。1

 

實現雜散去相關的收發器功能

 

圖1所示為ADI公司收發器ADRV9009的功能框圖。

 

圖1.ADRV9009功能框圖

 

每個波形發生器或接收器都是用直接變頻架構實現的。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）詳細地討論了各種直接變頻架構。4 LO頻率可以獨立編程到各IC上。數字處理部分包括數字上/下變頻，其NCO也可跨IC獨立編程。Peter Delos的文章《A Review of Wideband RF Receiver Architecture Options》（寬帶射頻接收器架構的選項）對數字下變頻進行了進一步的描述。5

 

接下來，我們將展示一種方法
，可以用於在多個收發器上強製雜散去相關。首先，通過編程板載鎖相環(PLL)偏移LO的頻率。然後，設置NCO的頻率，以數字化補償施加的LO頻率偏移。通過調整收發器IC內部的兩個特性，進出收發器的數字數據不必在頻率上偏移，整個頻率轉換和寄生去相關功能都內置在收發器IC中。

 

圖2所suo示shi為wei具ju有you代dai表biao性xing的de波bo形xing發fa生sheng器qi陣zhen列lie功gong能neng框kuang圖tu。我wo們men將jiang詳xiang細xi描miao述shu波bo形xing發fa生sheng器qi的de方fang法fa，展zhan示shi波bo形xing發fa生sheng器qi的de數shu據ju，但dan該gai方fang法fa同tong樣yang適shi用yong於yu任ren何he接jie收shou器qi陣zhen列lie。

 

圖2.通過編程波形發生器陣列的LO和NCO頻率
，強製雜散去相關

 

為了從頻率角度說明概念，圖3展示了一個帶有來自直接變頻架構的兩個發送信號的示例。在這些示例中，射頻位於LO的高端。在直接變頻架構中
，鏡像頻率和三次諧波出現在LO的相對側，並顯示在LO頻率下方。當將不同通道的LO頻率設置為相同的頻率時，雜散頻率也處於相同的頻率，如圖3a所示。圖3b所示為LO2的設置頻率高於LO1的情況。數字NCO同等地偏移，使RF信號實現相幹增益。鏡像和三次諧波失真積處於不同的頻率，因此不相關。圖3c所示為與圖3b相同的配置，隻是RF載波添加了調製。

 

 

圖3.用頻率顯示雜散信號的光譜示例。三個示例：(a) 無雜散去相關的兩個組合CW信號
；(b) 強製雜散去相關的兩個組合CW信號
；以及 (c) 強製雜散去相關的兩個組合調製信號。

 

測量結果

 

組裝了一個基於收發器的8通道射頻測試台，用於評估相控陣應用的收發器產品線。評估波形發生器的測試設置如圖4所示。在該測試中，將相同的數字數據應用於所有波形發生器。通過調整NCO相位實施跨通道校準，以確保射頻信號在8路組合器處同相並且相幹地組合。

 

圖4.波形發生器雜散測試設置

 

接下來

，我們將展示測試數據
，比較以下兩種情況下的雜散性能：一是將LO和NCO都設為相同的頻率；二是偏移LO和NCO的頻率。所使用的收發器在一個雙通道器件內共用一個LO（見圖1）
，因此對於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，收發器NCO和LO都設置為相同的頻率。在這種情況下

，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產生的雜散信號都處於相同的頻率。圖5所示為通過頻譜分析儀測得的各發射輸出。圖6所示為組合輸出。在這個特定的測試中，相對於載波以dBc為單位測量的鏡像雜散和LO泄漏雜散展現出改善的跡象，但三次諧波沒有改善。在測試中
，我們發現
，三次諧波在各個通道之間始終相關
，鏡像頻率始終不相關

，LO頻率根據啟動條件而變化。這反映在圖3a中，其中，我們展示了三次諧波的相幹疊加、鏡像頻率的非相幹疊加以及LO泄漏頻率的部分相幹疊加。

 

圖5.各通道的波形發生器雜散（LO和NCO設為相同的頻率）

 

圖6.組合波形發生器雜散（LO和NCO設為相同的頻率）。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，收發器LO全部設為不同的頻率
，並且同時調整數字NCO的頻率和相位，使得信號相幹地組合。在這種情況下，由鏡像、LO泄漏和三次諧波產生的雜散信號被強製設為不同的頻率。圖7所示為通過頻譜分析儀測得的各發射輸出。圖8所示為組合輸出。在這個測試中，相對於載波以dBc為單位測量的鏡像雜散
、LO泄漏雜散和三次諧波雜散開始擴散進噪聲，將通道組合起來後，每種雜散都展現出改善的跡象。

 

圖7.各通道的波形發生器雜散（LO和NCO的頻率偏移）

 

圖8.組合波形發生器雜散（LO和NCO頻率偏移）。注意
，在這種情況下
，雜散的頻率有所擴散，並且相對於單個通道SFDR

，其SFDR有明顯的改善

 

當組合非常少量的通道時
，比如在本測試中
，雜散的相對水平實際上提高了20log(N)。這是由於信號分量相幹地組合並以20log(N)遞增，而雜散根本沒有組合。在實踐中，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
，在組合大量信號的情況下，充分擴散雜散以獨立考慮每個雜散是不現實的。以1 MHz調製帶寬為例。如果規格規定，要在1 MHz帶寬內測量雜散輻射
，那麼最好擴散雜散
，使它們相距至少1 MHz。如果無法做到
，則每1 MHz的測量帶寬都會包括多個雜散分量。由於這些分量將處於不同的頻率，所以，它們將不相幹地組合

，並且在每1 MHz帶寬中測得的雜散功率將以10log(N)遞增。然而，任一1 MHz測量帶寬都不會包含所有雜散
，因此在這種情況下

，雜散N小於信號N

；盡管改進增量為10log(N)，但一旦N足夠大，使其雜散密度能在測量帶寬內容納多個雜散，則與無雜散信號去相關的係統相比

，絕對改善量仍然優於10log(N)——也就是說
，改善量將介於10log(N)和20log(N)分貝（或dB）之間。其次

，這個測試是用CWxinhaowanchengde，danxianshixinhaohuibeitiaozhi，zhejiangdaozhitamenkuosan，shidezaizuhedaliangxindaodeqingkuangxia
，bukenengshixianbuzhongdiedezasanxinhao。zhexiezhongdiedezasanxinhaojiangshibuxiangguande
，bingqiezaizhongdiequyuyi10log(N)不相幹地遞增。

 

當將不同通道的LO設為相同頻率時
，需要特別注意LO泄漏分量。當兩個信號分支相加時，模擬調製器中LO的不完全消除，這是導致LO泄漏的原因。如果幅度和相位不平衡是隨機誤差，則剩餘LO泄漏分量的相位也將是隨機的，並且當將許多不同的收發器的LO泄漏相加時
，即使它們的頻率完全相同，它們也將以10log(N)不相幹地疊加。調製器的鏡像分量也應如此，但調製器的三次諧波則不一定這樣。在少量通道被相幹組合的情況下，LO相位不太可能是完全隨機的，因此測得數據中展示了部分去相關的原因。由於信道數量非常多，因此，不同通道的LO相位更接近隨機條件
，並且預計為不相關疊加。

 

結論

 

當LO和NCO的頻率偏移時
，結果會測得SFDR，其清楚地表明，所產生的雜散全部處於不同頻率並且在組合過程中不相關，從而確保在組合通道時SFDR能得到改善。現在，在ADI公司的收發器產品中，LO和NCO頻率控製已經成為一種可編程的特性。結果表明

，該功能可用於相控陣應用，相比單通道性能
，可確保陣列級的SFDR改善。

 

參考文獻

 

1 Lincoln Cole Howard和Daniel Rabideau，“Correlation of Nonlinear Distortion in Digital Phased Arrays: Measurement and Mitigation”（數字相控陣中的非線性失真：測量與緩解）
，2002 IEEE MTT-S國際微波研討會文摘。

 

2 Salvador Talisa、Kenneth O’Haever

、Thomas Comberiate
、Matthew Sharp和Oscar Somerlock，“Benefits of Digital Phased Arrays”（數字相控陣的好處），IEEE論文集

，第104卷第3期

，2016年3月。

 

3 Keir Lauritzen，“Correlation of Signals, Noise, and Harmonics in Parallel Analog-to-Digital Converter Arrays”（並行模數轉換器陣列中的信號
、噪聲與諧波相關性）
，博士論文，馬裏蘭大學，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選項綜述），ADI公司
，2017年2月。

 

Delos

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

 

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

 

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

 

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

 

作者簡介

 

Peter Delos是ADI公司航空航天和防務部門的技術主管，在美國北卡羅萊納州格林斯博羅工作。他於1990年獲得美國弗吉尼亞理工大學電氣工程學士學位
，並於2004年獲得美國新澤西理工學院電氣工程碩士學位。Peter擁有超過25年的行業經驗。其職業生涯的大部分時間花在高級RF/模擬係統的架構
、PWB和IC設計上。他目前專注於麵向相控陣應用的高性能接收器
、波形發生器和合成器設計的小型化工作。聯係方式：peter.delos@analog.com。

 

Mark Robertson本科於1990年畢業於劍橋大學，獲電氣與信息科學學位。2012年，他在英國巴斯加盟ADI公司，擔任係統工程師；此前，先後在測試和測量、手機和蜂窩基站等多個行業的多家公司供職，擔任射頻和模擬電路設計工程師。他仍然喜歡隨時設計現實電路。聯係方式：mark.robertson@analog.com。

 

Mike Jones是ADI公司航空航天與防務部門的一名首席電氣設計工程師

，在美國北卡羅來納州格林斯博羅工作。他於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，擔任微波光子學設計工程師，致力於研發核工業微波和光學解決方案。他於2004年獲得北卡羅來納州立大學電氣工程學士學位和計算機工程學士學位，2006年獲得北卡羅來納州立大學電氣工程碩士學位。聯係方式：michael.jones@analog.com。

 

 

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