数字中频测试问题诊断分析
2008-02-03
作者：安捷伦科技
背景介绍
随着数字芯片处理的能力不断的提高，当今的雷达系统的结构已经从传统的模拟电路结构转向具有模拟和强大数字处理功能的混合系统。系统中，数字信号" title="数字信号">数字信号处理部分完成的功能越来越多，广泛应用于发射信号波形建立和接收信号的解调处理等功能。高性能 ADC/DAC 器件和 FPGA 技术的进步也大大扩展了数字电路" title="数字电路">数字电路的功能和性能。
许多系统的先进功能都是通过数字信号处理技术来完成。例如：复杂的数字调制或雷达信号的波形是依靠数字方法完成波形建立，然后由高性能 DAC 和 IQ 调制器来实现。在电子系统接收机处理过程中，广泛采用了数字中频" title="数字中频">数字中频技术。由数字电路来完成增益放大、匹配滤波、解调处理、解码处理等功能。
图 1 ：数字化发射机和接收机的典型组成
从上图可以看出，在发射机和接收机的中频部分通常有两个组成部分：模数 / 数模转换部分和数字信号处理部分。系统性能会直接反映到两部分的指标要求上。现在数字电路研发工作中重点需要解决的技术问题包含：
高转换速率的 ADC 和 DAC ，从而保证宽带的信号产生；
高分辨率的 ADC 和 DAC ，从而保证信号的无失真动态范围和信号质量；
高速 FPGA 和专用数字集成电路
DSP 处理的处理能力和处理速度。
因此数字中频的测试平台" title="测试平台">测试平台应该能够对数字电路及处理算法的性能进行测试评估，具体内容包含：
ADC 和 DAC 完整性能的测试和验证；
数字信号处理算法的测试。
测试平台组成
对数字电路的测试，传统的测试手段主要是以码型发生器作为被测电路的激励，然后利用示波器和逻辑分析仪来进行信号分析，对数字信号的时序和逻辑关系进行测试。但这种方法很难直接对电路中数字信号的矢量参数进行分析，例如量化数字 IQ 信号的调制精度，相位误差等。 也不能直观地提供信号处理算法的效果定量参数。而这些参数对于精确判断数字电路的性能或故障定位是非常重要的。
基于先进仪表的技术发展。可以建立完整的数字中频测试平台。在这个平台上，可以完成对数字中频电路进行独立测试。测试中，系统能提供实时的数字矢量激励信号，数字信号的格式和电平与被测试数字电路相匹配。数字信号分析仪不仅能对数字信号的波形和逻辑关系进行测试。还可连接矢量分析软件完成对被测数字信号的幅度和相位参数进行分析。数字中频测试平台解决方案如图 2 所示。
图 2 安捷伦数字中频测试方案
测试平台主要针对电子系统中数字信号处理电路和中频电路部分的测试需求。通过提供完整的测试激励信号，包含简单的码型激励和复杂矢量调制信号。分析仪表对数字电路的响应进行全面分析。利用分析的结果来评估数字电路的性能。测试技术的突破是现在先进测试仪表能够提供数字形式的复杂调制信号。如：任意数字调制信号；无线通信信号；雷达信号；用户计算的任意波信号等。这些信号可以以数字 IQ 形式或数字中频形式输出。另外逻辑分析仪除能完成数字信号的定时分析和状态分析外。还可作为多通道数字信号的采集电路。采集的数字信号数据可以利用仪表内置的矢量分析软件进行分析。矢量分析的目的是利用频域、时域和解调处理来得到信号完整的参数，特别是调制特性指标。通过对数字电路输入信号和输出信号分别进行矢量分析，还可得到数字信号处理电路的频率响应。
数字电路测试平台的主要核心为 N5102A 数字接口卡和 16900A 系列逻辑分析仪。通过以下具体测试的例子来明确这些仪表的先进功能。
基于数字电路测试仪表，可以对数字电路、模数混合电路及 DSP 处理算法进行独立测试。这样一方面可以消除模拟电路对测试结果的影响。另外可以定量地对数字电路的性能进行验证和评估。数字电路是整个电子系统中灵活性最大，发展最快的部分。利用测试平台的仪表对数字电路进行分析，使得大系统研发过程中，可以针对关键的数字信号处理技术上进行重点研究和突破。关键技术的掌握可以大大提高整个系统研发的效率。
图 3 . Agilent 16900A 逻辑分析仪动态探头技术
图 4 . 全数字电路测试方案
测试实例
为帮助大家了解该测试方案的具体实施、以及如何发现并诊断故障，我们以一个实例进行介绍。实例中被测对象是 MAX5873 12 位 DAC 评估板和 MAX2021 IQ 调制混频器。
我们采用 N5102A 产生数字形式的调制信号，利用 89610A 矢量信号分析仪或 E4440A PSA 测试 DAC 输出信号的频、、谱参数和调制参数。
在首次测试过程中发现， Maxim EVB 评估板的输出在零频处有较大的凹陷，因而根本无法进行正确的解调。为了定位问题，我们首先采用 1682D 逻辑分析仪 +89601 软件对 N5102A 数字基带输出的信号进行了解调分析，从而验证了 N5012A 产生的数字基带信号的完整性和正确性。
因此，问题可能发生在被测 DUT 上。为此，我们对 MAX5873 EVB 评估板进行了改动，焊下巴伦" title="巴伦">巴伦变压器，进行了第二次补充测试。
图 2 焊下巴伦变压器后测试 DAC 的输出
MAX5873 EVB 板上焊下巴伦变压器，采用 E4440A PSA 测试 DAC 的输出。
DAC 的 I+ ， Q+ 接入到基带信号分析仪测试。其频谱如图 2 所示（调制方式： QPSK ）。
| QPSK 信号 | EDGE 信号 |
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图 3 E4440A PSA 测试 DAC 的输出 | |
分析： 发现频谱基本符合要求，但存在较高的零频分量，其星座图偏离元点较大。初步认为是由于基带信号分析仪采用单端输入，直流共模电压远远大于有用信号导致。
此时将 MAX5873 输出的模拟信号与 E4438C 本身输出的模拟信号进行比较，发现波形一致。初步认为 MAX5873 正常工作，由于直流共模电压的影响，无法直接测试 DAC 输出。
结论： 上次测试零频率出凹陷确实是受巴伦的影响。去掉巴伦后零频处无凹陷。
DAC 输出 +MAX2021 测试 , 采用 DAC 加 MAX2021 联合测试。
测试条件： DAC CLK ： 10dBm ， 13Mb/s. MAX2021 本振： 960Mb/s ， 0dBm DAC 差分四路输入到 MAX2021
分析： 测试发现 E4440 能够解调出 MAX2021 调制后的信号， EVM 值满足指标（ <0.7% ），但是 IQ Offset 指标不满足要求。
结论： 需要调整 diff IQ Offset 来提高。 MAX5873 正常工作。
测试条件： DAC CLK ： Vpp=800mV 方波， 13Mb/s 。
MAX2021 LO ： 960Mb/s ， 0dBm DAC 差分四路输入到 MAX2021 ，测试结果如图 4 。
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| 图 4 数字方波为时钟 | 图 5 DAC+MAX2022 联合测试 |
结论： 从以上测试结果可以看出数字方波也可以作为 DAC 的采样时钟。
DAC+MAX2022 联合测试
测试条件如 DAC+MAX2021 ，只是 LO 频率改为 1930M 。测试结果如图 5 。
分析： 测试结果表明， MAX5873 正常工作，不过 EVM 值比 MAX2021 要大一些（ <1.5% ）。
总结
从以上测试可以发现， MAX5873 可以正常使用。
不过在 EDGE 信号基带处理时，不能加巴伦进行隔直，同时由于直流偏置电压较大，不能直接用基带信号分析仪来分析 DAC 输出的单端信号。可以通过 DAC+IQ Mod 方式来进行测试。
通过这次实验，验证了安捷伦测试方案的完整性和有效性，可以满足数字电路及 DSP 处理算法的全面分析和测试要求。