從理論到實(shí)踐詳解混合波束賦形接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

相控陣波束賦形架構(gòu)大致可分為模擬波束賦形系統(tǒng)、數(shù)字波束賦形系統(tǒng)或以上兩者的某種組合——采用模擬子陣列，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后形成最終天線波束方向圖。后一類(lèi)（基于數(shù)字組合的子陣列）結(jié)合了模擬和數(shù)字波束賦形，通常稱(chēng)為混合波束賦形。

在業(yè)界對(duì)軟件定義天線的探索中，人們非常希望實(shí)現(xiàn)全數(shù)字相控陣，以便最大限度地提高天線方向圖的可編程性。在實(shí)踐中，特別是隨著頻率提高，封裝、功耗和數(shù)字處理方面的挑戰(zhàn)迫使人們減少數(shù)字通道數(shù)?；旌喜ㄊx形緩解了實(shí)施工程師常常面對(duì)的數(shù)字通道密度需求，因此可能會(huì)在未來(lái)某個(gè)時(shí)間作為一種實(shí)用方案出現(xiàn)。

圖1.混合波束賦形RF一般框圖

圖1展示了一個(gè)代表性混合波束賦形架構(gòu)，顯示了該架構(gòu)中包含的主要子系統(tǒng)。大多數(shù)混合波束賦形系統(tǒng)都是這一概念的某種變體。從右到左觀察框圖，可以直觀地理解該架構(gòu)：空中的波前入射到天線元件，經(jīng)過(guò)微波電路到達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，再進(jìn)行數(shù)字處理后形成最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。框圖將混合波束賦形架構(gòu)展示為七個(gè)子系統(tǒng)的組合：

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

●發(fā)射/接收(T/R)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(kāi)關(guān)。

●模擬波束賦形：將選定數(shù)量的元件組合成一個(gè)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)換將工作頻率轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器處理的中頻(IF)。

●數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：將微波頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)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)換器的速率通常大于處理帶寬所需的速率。使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成電路(IC)中嵌入的數(shù)字上/下變頻特性，將同相/正交相位(I/Q)數(shù)據(jù)流降低到與應(yīng)用的處理帶寬相稱(chēng)的較低速率，可以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

●數(shù)字波束賦形：最后，將I/Q數(shù)據(jù)流加權(quán)合并，形成最終的數(shù)字波束數(shù)據(jù)。

微波工程師在混合波束賦形架構(gòu)中面臨的挑戰(zhàn)之一是隨著系統(tǒng)架構(gòu)的演變進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。級(jí)聯(lián)微波分析已被業(yè)界充分理解，相關(guān)文獻(xiàn)非常完備。數(shù)字波束賦形測(cè)量也有文獻(xiàn)記載，但實(shí)測(cè)與建模得到的混合波束賦形微波指標(biāo)比較方面的文獻(xiàn)還很有限，缺乏一個(gè)用于外推到更大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。

本文將討論混合波束賦形系統(tǒng)的接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍分析，并比較一個(gè)32元件混合波束賦形測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量值和預(yù)測(cè)值。最初開(kāi)發(fā)的混合波束賦形原型平臺(tái)是為了在一個(gè)代表性架構(gòu)中驗(yàn)證IC設(shè)計(jì)，并支持X波段（8GHz至12GHz）相控陣架構(gòu)的快速原型設(shè)計(jì)。然而，隨著表征的開(kāi)始，很明顯需要一種系統(tǒng)性預(yù)測(cè)性能指標(biāo)的方法。ADI的目的是記述分析方法以及測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，使工程師能夠利用一個(gè)經(jīng)表征的基準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建類(lèi)似但更大的系統(tǒng)。

原型硬件

ADI開(kāi)發(fā)了一個(gè)32元件的混合波束賦形原型平臺(tái)，如圖2所示。詳細(xì)信號(hào)鏈如圖3所示。

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

圖3.原型硬件詳細(xì)框圖

前端由32個(gè)發(fā)射/接收模塊和8個(gè)模擬波束賦形IC (BFIC)組成。兩個(gè)BFIC輸出組合產(chǎn)生四個(gè)8元件子陣列。四個(gè)子陣列連接到一個(gè)4通道微波上/下變頻器。該4通道微波上/下變頻器再連接到一個(gè)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)字轉(zhuǎn)換器IC。ADC以4 GSPS采樣，而DAC以12 GSPS采樣。

微波頻率設(shè)置為8GHz至12GHz。本振(LO)設(shè)置為具有固定IF（中心頻率為4.5GHz）的高端LO。在該IF頻率時(shí)，ADC在第三奈奎斯特區(qū)進(jìn)行采樣。

利用一個(gè)商用FPGA板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)開(kāi)發(fā)了一個(gè)MATLAB?計(jì)算機(jī)控制界面，以便能夠在真實(shí)硬件中快速表征仿真波形。數(shù)據(jù)分析及后續(xù)處理在MATLAB中進(jìn)行。

模擬子陣列級(jí)聯(lián)分析

除信號(hào)合并點(diǎn)外，所有傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)方程均適用于模擬子陣列的級(jí)聯(lián)分析。如果信號(hào)在合并點(diǎn)處的幅度和相位匹配，并且噪聲不相關(guān)，那么信號(hào)增益和噪聲增益將不同。因此，需要一種方法來(lái)以不同方式跟蹤這些項(xiàng)。

所用方法

圖4說(shuō)明了所使用的方法。圖4a顯示了信號(hào)增益和噪聲增益分開(kāi)的點(diǎn)。真正的合并器具有插入損耗項(xiàng)和理論合并項(xiàng)。這可以用圖4b來(lái)解釋。最后，如果跟蹤噪聲溫度（如圖4c所示），那么可以在每一級(jí)的輸入和輸出端跟蹤噪聲功率。

圖4.一種用于模擬相干合并的級(jí)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)算任意級(jí)輸出端的噪聲功率，須將器件折合到輸入端的噪聲與輸入噪聲線性相加，然后轉(zhuǎn)換回dBm/Hz并加到器件噪聲增益上。

要根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算折合到輸入端噪聲，須計(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)可以根據(jù)器件噪聲系數(shù)計(jì)算：

其中T為環(huán)境溫度（單位為K）。

根據(jù)噪聲溫度可以計(jì)算折合到輸入端的器件噪聲：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)。

相干合并的直觀描述

信號(hào)與噪聲合并的直觀視圖有助于理解該方法的目的。首先假設(shè)校準(zhǔn)已執(zhí)行，因此所有信號(hào)的幅度和相位都匹配，并且噪聲不相關(guān)，但幅度也相等，合并器輸入端的所有通道都是如此。

如果僅使能了部分元件（校準(zhǔn)或各種測(cè)試和調(diào)試配置常常就是這種情況），那么還需要一種方法來(lái)跟蹤結(jié)果。

信號(hào)和噪聲輸出電平可以計(jì)算如下：

信號(hào)功率 = 輸入功率 + 信號(hào)增益

信號(hào)增益 = 20log(開(kāi)啟的通道數(shù)) - 插入損耗 - 10log(合并器輸入端口數(shù))

噪聲功率 = 輸入噪聲功率 + 噪聲增益

噪聲增益 = 10log(開(kāi)啟的通道數(shù)) - 插入損耗 - 10log(合并器輸入端口數(shù))

注意這種方法的結(jié)果。表1總結(jié)了若干模擬合并器通道數(shù)的信號(hào)增益和噪聲增益，既有每個(gè)輸入都通電和校準(zhǔn)的情況，也有僅一個(gè)輸入通電和校準(zhǔn)而其他端口端接的情況。

表1.無(wú)損合并器的信號(hào)/噪聲增益

級(jí)聯(lián)電子表格

基于所描述的方法，創(chuàng)建了圖5所示的級(jí)聯(lián)電子表格，其中包括關(guān)于跟蹤已使能元件數(shù)量的規(guī)定。圖中既顯示了單個(gè)元件使能的情況，也顯示了所有八個(gè)元件使能的情況。

圖5.級(jí)聯(lián)計(jì)算

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器捕獲數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，從而得到測(cè)量結(jié)果，因此結(jié)果中包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格。跟蹤的最終指標(biāo)是ADC指標(biāo)，稱(chēng)為接收機(jī)輸入。為了快速驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果，還計(jì)算了給定輸入功率的預(yù)期FFT幅度和交調(diào)產(chǎn)物。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)置如圖2和圖3所示。用于提供接收機(jī)輸入、LO、ADC采樣時(shí)鐘和整個(gè)系統(tǒng)參考時(shí)鐘的具體實(shí)驗(yàn)室設(shè)備如表2所示。系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字化儀IC用于捕獲以下結(jié)果中顯示的樣本。

表2.用作后文中數(shù)據(jù)采集部分的測(cè)試設(shè)備

校準(zhǔn)

對(duì)于所有測(cè)量，在數(shù)據(jù)分析之前都會(huì)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。每個(gè)數(shù)字化儀IC的ADC信號(hào)鏈都包括數(shù)字下變頻器形式的強(qiáng)化型數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊，其中的數(shù)字控制振蕩器(NCO)能夠在子陣列級(jí)別將相移應(yīng)用于每個(gè)數(shù)字化通道。因此，8個(gè)天線元件形成本文所定義的單個(gè)子陣列，共享一個(gè)公共ADC和DSP信號(hào)鏈。系統(tǒng)提供的相位和幅度調(diào)整在模擬域通過(guò)BFIC實(shí)現(xiàn)，在數(shù)字域通過(guò)NCO和可編程有限脈沖響應(yīng)(PFIR)模塊實(shí)現(xiàn)。

最初選擇通道1作為所有其他通道對(duì)齊的基線。在模擬域內(nèi)，BFIC可變?cè)鲆娣糯笃?/u>(VGA)用于對(duì)齊整個(gè)陣列的幅度，而B(niǎo)FIC移相器(PS)用于對(duì)齊子陣列內(nèi)的相位。在數(shù)字域內(nèi)，使用NCO相位偏移對(duì)齊每個(gè)子陣列的相位。