原创使用DDS直接生成宽带调制信号中频/射频中的一个要点——相位连续

 2010-1-14 18:11  3627 11 13 分类: 消费电子

几年前曾经和一个设计宽带调制系统的工程师一起工作过几天。那时他在开发一个符号率为200M的QPSK信号系统，并且需要完成误码测试。当时在这么高的符号率下，传统的“基带源+调制器”的解决方案除了有一些指标上的不足，其成本也几乎可以称为“天价”。后来他查询到任意波形发生器可以一台仪器完成这样的宽带调制就找到了我们，我于是带着当时全球指标最高的、基于DDS原理的任意波形发生器AWG710B和他一起做了几天试验。

他的目标信号大致是这样的：载频1GHz，功率0dBm左右，符号率200M，数据使用BERT提供的PRBS9或PRBS15以进行误码测试，波形数据使用MATLAB计算产生。

前两天一切顺利，标准的1GHz载波和200M符号率下的误码率正常。下一步就是进行容限测试：主要是测试符号率或者载波偏移下的系统解码正确率，比如载波1GHz不变，而符号率变为199M时是怎样的性能。这时用户发现了一个比较重要的问题：由于是误码测试，所以AWG输出的是循环播放的数据，这时最重要的一点就是保证载波和符号的相位连续性，而使用AWG输出射频信号的原理是：使用软件计算调制信号的波形，然后AWG循环播放。所以需要载波和符号相位连续的关键点就是播放中“从尾跳到头”时的相位连续性。

考察这两种情况（即符号率为200M和199M）：

第一种情况：在载波为1GHz、符号率为200MHz的情况下。如果AWG工作的过采样率为4（即：采样率/载波频率=4，或每个载波周期采四个样点），则采样率是4GS/s，采样周期是250ps。当数据为PRBS9时，每511个符号完成一个完整循环（QPSK每个符号带2个bit数据，511个符号带1022bit的数据）。而511个符号的时间为2555ns，合2555个完整载波周期。由于每个周期是4个采样点，所以存储深度使用2555*4=10220即可。这样，在信号环回时，载波、符号、PRBS数据循环的相位均为连续的，没有任何问题；

而在第二种情况下，由于符号率变为了199M，所以每个符号的时间是5.02512562ns，511个符号的时间为2567.83919182ns。此时如果仍然只计算511个符号，则波形持续的时间不是载波周期的整数倍，就会出现环回播放时载波相位不连续的情况，造成误码率恶化。

下图是一个载波或符号相位不连续的测试结果，在左下的频谱瀑布图可以看到：频谱在信号环回时产生了突变（扩展），同时星座图和眼图都受到了影响。这种情况下，系统的误码率、邻道功率比等参数可能会显著恶化，并且这种恶化的原因是来自于测试设备而不是被测设备的。一般来说，这样的情况是不可接受的。

图一载波相位不连续下的矢量分析结果

回到我们的试验中，如果要保证符号和载波都连续，则AWG播放PRBS数据循环的时间需要同时是符号周期和载波周期的整数倍。经过计算，符号周期和载波周期的最小公倍数是199us，包含39601个完整符号和199000个载波周期。再考虑PRBS9周期循环时的连续性，波形长度需要是199us*255=50.745ms，才能保证符号、载波相位连续的情况下，数据中的PRBS循环也是连续的。50.745ms的波形，需要202.98M数据样点——而AWG710B的最大存储深度为64M数据样点，无法支持这样的要求。于是测试陷入停顿。

从上面的计算看来，199M的符号率其实并不算是很苛刻的数字，如果用户的符号率变为199.9M或189.9M、再或者载波变为1000.1MHz等，则保证各个信号元素的连续性所需的存储深度还要更大，远远超出现有AWG的能力。进一步的，这种限制仿佛是原理性的、不可克服的——难道AWG对于这种应用无能为力么？

我于是就这个问题咨询了产品线的同事。他们的回答是：这种计算方式是正确的，所以得出的结果也是正确的——如果真要如此严格地按精确数值来要求，使用AWG确实有些困难。但是在工程中，我们是有解决途径的，就是使用一种算法，对波形参数做略微的调整：在保证符号率不变的情况下，稍稍调整载波频率，以为环回时保证载波和符号的相位连续。对于接收机来说，恢复载波的锁相环对于载波的微小偏差有跟踪能力，所以不会影响误码率的测试。当时公司提供的一个射频信号编辑软件MCIQ就包含了这种算法。

在这个例子中，我们将载波1GHz、符号率199M输入MCIQ，并设置编译长度为511个符号，如下图所示：

图二在MCIQ中设置调制和编译参数

编译完成后，结果如下：

图三 MCIQ编译结果及图形显示

从结果中可以看到，MCIQ的内部算法将载波从设定的1GHz略微调整到1.0000626GHz，也就是说升高了约63KHz，相应地采样率也提高到了约4.0002504G（因为AWG可以调整采样率，精度为8位十进制数，所以最后两位略去）；同时符号率保持在199M不变。这样，除了载波和预设有些许偏差外，其它的调制特性和预设一样。更重要的是，这种调整节约了存储深度——本例中，仅仅使用了10272个存储样点就满足了相位连续的要求，效率很高。

我把这个软件提供给了用户，并解释了MCIQ的调整原理。他认为这种调整应该是可以接受的——实际上，由于他设计的系统发射部分本来就是基于DDS的，所以他也一直在考虑类似的解决方法。随后我们把的这个用MCIQ编译的数据导入AWG进行测试，误码结果正常，也说明这种方法是可行的。

很快，这个用户就购买了一台AWG710B。前几天，他由于应用升级，需要800MHz符号率以上的数字调制，于是准备购买一台最新的高性能AWG7122B。我们在技术讨论中聊起了几年前这件事，我想这应该是使用基于DDS原理产生宽带调制信号中频/射频工程师都可能遇到的问题，所以把它写下来，供各位读者参考。

这类应用中，用户经常面临的如下挑战：

1、自己的设计中涉及非常高的调制带宽，在发射机测试中，如果使用传统的“基带源+调制器”，除了成本很高以外，传统基带源只有IQ两路最多理论上各500MHz带宽的能力，对于超宽带信号支持不足；

2、如果使用高性能AWG，通常情况下，波形数据是用户自己用MATLAB或者其它一些应用算法产生的，如果载波和符号没有较明确的倍数关系（如1GHz载波和199M符号率），则需要运算很长的数据才能保证信号环回时的载波连续性。运算耗时不说，最后生成的数据太长的话AWG也不能支持——高性能AWG的最大存储深度也就是128M样点；

3、当前的宽带/超宽带系统，很多都采用接收机在中频采样、而发射机利用DDS直接生成中频的方式。在这些应用中，用户可以使用AWG产生的宽带/超宽带中频信号来测试接收机，也可以将AWG作为参考来验证自己设计的发射机。这时用户可能遇到上述第2项的挑战；

对于这些挑战，最新的AWG提供了比较完备的解决方案：

l 最新的AWG采样率可达24GS/s，能满足用户最高达6GHz（4倍过采样率下）的中频/射频调制带宽要求；对于基带信号，这些设备可以提供IQ两路各3GHz（4倍过采样率下）的能力；

l 在信号生成方面，仅能产生通用调制信号的MCIQ已经升级为功能丰富的RFXpress。除了各种通用模拟/数字调制信号外，RFXpress波形生成软件还可以针对雷达、OFDM、WiMidia等应用，提供用户填表式的解决方案，使用较为方便；

l RFXpress软件内嵌了本文所提到的调整算法，可以自动微调调制参数，优化信号生成的效率。AWG系列产品提供了可以连续调节的采样率设置，为这种波形参数调整提供了必要的保证——若采样率是固定的，则明显不具备这种载波调整的硬件基础。也许用户可以使用更为复杂的算法来实现类似调整，但是固定采样率会造成这种调整必然是载波和符号率都需要变化。

一个小窍门，在编译速度和存储空间允许的情况下，使用RFXpress时可以尽量编译多一些周期，这样载波调整后的偏移会更小一些。如下图中，所有的调制参数设置和之前的一样，唯一区别就是编译长度变成了之前的100倍：从511个符号变为51100个符号，亦即是100个PRBS9的整周期。其结果是最后输出时使用的采样率变为4000.0169M，即输出载波为约1000.0043MHz，偏差仅仅为4KHz多一点。（注意此处勾选了“为环回调整Adjust For Wrap-around”）