多通道数字阵列模块接收通道测试方法研究和实现

摘 要

多通道数字阵列模块接收通道的输出信号为通过光缆传输的高速I/Q数据，所有接收通道的性能指标测试都依赖于对1/Q数据的分析和计算。为解决因数字化、集成化带来的接收通道测试难题，根据当今大规模集成电路、微波技术和光电技术的研究成果，提出了一种基于高速I/Q数据接收/分析、复杂工作状态控制、被测模块与测试仪器同步、多通道射频激励信号输入的测试实现方法。实际测试证明方法可行有效，也具有一定的推广应用价值。

【关键词】数字阵列模块 接收通道 I/Q数据 同步

1 引言

与模拟T/R组件相比，多通道数字阵列模块的组成和功能非常复杂，不再只是实现发射、回波信号的幅度和相位调理。在接收状态下，输出信号不再是通过同轴电缆传输的模拟信号，而是通过光缆传输的高速大容量I/Q数据，矢量网络分析仪等传统测试设备已经无法与数字阵列模块进行连接，也就无法对其性能标进行测试，所有接收通道性能指标都依赖于对I/Q数据的分析和计算，这是数字阵列模块与模拟T/R组件在测试方面最大的不同，也是最大的测试难点所在。因此，必须寻求一种新的测试解决思路和手段。

2 接收通道测试需求

虽然在技术体制和实现方式上与模拟T/R组件有较大的不同，但是数字阵列模块接收通道的测试参数类型基本是一致的，主要有接收增益、隔离度、接收延时、噪声系数和通道间幅相一致性等。

3 接收通道测试方法

测试实现的总体思路为：在主控计算机的控制下，首先通过光缆和状态控制单元完成被测模块的工作状态控制，然后在同步信号的作用下，信号发生器输出的射频激励信号通过开关功分单元输入至被测模块中，而被测模块输出的I/Q数据进入接收分析单元进行数字信号处理，最后对计算结果进行补偿，如考虑射频传输通道的插损等，最终得到接收通道的性能指标（见图1）。噪声系数的测试与上述过程基本一致，只是它不需要开关功分单元的参与。

在多通道数字阵列模块接收通道测试过程中，有工作状态控制、高速I/Q数据接收/分析、被测模块与测试仪器同步等几个关键问题需要解决，下面分别进行论述。

3.1 工作状态控制的实现方法

与模拟T/R组件相比，多通道数字阵列模块工作状态的控制机理虽大致相同，但载体实现形式区别于传统的低速总线，代之以光缆作为数据传输的高速通道，这也是为了满足后续大容量I/Q数据的高效传输，具体包括触发同步、收发切换、幅相调整、波形数据、控制数据、同步数据以及数据复接等。

基于FPGA芯片内置的ROCKET I/O硬核可以很好地实现高速串行数据的光纤传输。该硬核是一种高速的串行收发器，调用各功能模块资源，加以合理配置即可实现数据链路的可靠传输。在此基础上，按照约定的协议格式将控制数据、波形数据、同步数据和收发状态控制等发送到被测模块中，以此可以实现各种复杂工作状态的控制（见图2）。

同时，在FPGA芯片和外围电路的基础上，其实也较容易进行功能扩展。如加上DAC芯片和低通滤波电路可以产生同步信号，又如在外围增加RAM电路就是实现高速I/Q数据接收/分析的硬件基础。

3.2 高速I/Q数据接收/分析的实现方法

FPGA芯片中ROCKET I/O模块的发送通道可以用来实现被测组件的状态控制，而其接收通道则可以用来接收被测模块的高速I/Q数据，当然这是发送过程的逆过程，接收到的I/Q数据送往RAM区中进行缓存和分析处理。至于缓存多少数据，这可以根据测试需求并通过管理软件进行控制。

接收通道的性能指标的测试实现最终依赖于I/Q数据的计算和分析。从实现过程来讲，主要可分为数据拆分、数据抽取、FFT运算和通道性能最终计算等几个步骤（见图3）。

3.3 被测模块和测试仪器同步的实现方法

对于接收测试来说，接收延时的测试需要基于一个同步的机制，其它指标可以在连续波模式下进行，并不需要同步信号的参与。

与模拟T/R组件需要输入同步信号不同，数字阵列模块是根据接收到同步数据在其内部产生同步信号而实现同步的，而且也没有同步信号的输出端口，也就是说数字阵列模块无法直接同步测试仪器。既然不能直接实现同步，那么就利用一个间接方式来实现，即产生一个测试同步信号，先实现与多通道数字阵列模块的同步，再利用该信号实现与测试仪器的同步，从而最终实现被测模块和测试仪器之间的同步。

具体的实现方法为：状态控制电路在对被测模块进行工作状态控制的同一个时钟信号上升沿输出测试同步信号数据，该数据输入至DAC电路进行数模转换，即输出一路与被测模块工作状态同步的测试同步信号，该路同步信号即可输入至测试仪器中，从而间接实现了被测模块和测试仪器的同步。

3.4 多通道射频激励信号输入的实现方法

在模拟T/R组件接收通道测试时，一般是通过开关的切换分时给不同的通道施加射频激励信号。但是，在多通道数字阵列模块测试时，通过开关切换依次注入信号的方式实际上是行不通的。原因为：如果某个时刻只有一路通道有激励信号，而接收通道I/Q数据是所有通道复接后通过一根光缆输出的，那么只有部分数据是有效的。若要计算相应的性能指标，必须进行有效的数据分离，不但效率低，也必将占用大量存储空间；同时，分时测试也无法实现通道间相位一致性指标的测试，虽能进行幅度一致性的测试，但是由于受温度等因素的影响，分时测试所得的幅度一致性指标在准确度上也会有所降低。因此，对于多通道数字阵列模块接收通道的测试需要采用多通道射频激励信号同时注入的模式。

4 实际测试与应用

基于以上的实现方法，针对某S波段16通道数字阵列模块搭建了接收通道测试验证系统（见图4）。该系统由3台AV1464A信号发生器（其中两台用来产生本振信号）、1台AV1761电源、状态控制单元（包含I/Q数据接收/分析和同步信号产生单元）、时钟单元、16通道开关功分单元、主控计算机等组成。

利用搭建的测试验证系统对某S波段16通道数字阵列模块的性能指标进行了测试。因通道数量和指标类型较多，下表仅仅列出了一个通道两个频点接收增益、隔离度、延时和灵敏度的测试数据，测试结果符合设计要求。

5 结论

通过深入研究数字阵列模块的工作原理，积极利用当今大规模集成电路、微波技术和光电技术的研究成果，充分挖掘电子测量仪器的功能，提出了数字阵列模块接收通道测试的实现方法，搭建了完整的测试验证系统，测试结果满足实际需求，与模块设计值相吻合。此外，软件运行稳定可靠。通过以上方式，解决了多通道数字阵列模块因数字化、光纤化和集成化带来的接收通道测试难题。

参考文献

[1]成超.宽带数字T/R组件发射通道实现技术研究[D].电子科技大学，2009：30.

[2]丁志钊等.同步在数字T/R组件测试中的作用和和实现[J].国外电子测量技术，2015，34（1）：23.

作者简介

丁志钊（1977-），男，现为中国电子科技集团公司第41研究所（电子测试技术重点实验室）高级工程师，主要从事自动测试方向的研究。

作者单位

中国电子科技集团公司第41研究所（电子测试技术重点实验室） 山东省青岛市 266555