信號發生裝置中功率校準方法優化研究綜述

中電科思儀科技股份有限公司 齊彥君

隨著電子技術的發展，電子設備中接收機性能綜合評價要求信號發生裝置具有更寬的頻率覆蓋范圍、更高的小信號質量。傳統的功率校準方法已無法適應信號發生裝置的生產制造要求，設計高效、精確的功率校準方法成為亟待解決的重要問題。本文提出了幾種針對信號發生裝置功率校準的優化方法，不但縮短了功率校準所需的時間，而且提高了功率校準精度。

作為電子系統中必不可少的關鍵組成部分，信號發生裝置主要用來提供信號激勵和信號模擬，廣泛應用在雷達、衛星通信系統、電子對抗系統及遙測傳感系統當中，隨著高性能接收機頻率覆蓋范圍的擴展，要求信號發生裝置具有更寬的頻率覆蓋范圍，更高的功率準確度。

信號發生裝置信號輸出端依靠110dB步進衰減器和自動電平控制電路決定信號的輸出功率范圍，110dB步進衰減器提供粗功率衰減，ALC電路提供精細的功率電平調整，使得端口輸出精確的振幅電平。輸出功率準確度由自動電平控制穩幅電路、110dB衰減器等硬件本身的特性以及軟件對輸出功率的校準來共同決定。本文主要針對通過軟件方式實現輸出功率校準進行研究。

隨著微電子技術和計算機技術的發展，自動校準技術已經在電子測量儀器領域得到廣泛應用，但是目前還只是以簡單實現滿足信號發生裝置輸出功率技術指標要求為主要目的，沒有對功率校準進行深入研究，校準的效率及精度相對比較差，或者精度比較高但是校準時間特別長，效率極低，可生產性較差。本文提出了針對信號發生裝置功率校準的優化方法，不但縮短了功率校準所需的時間，而且提高了功率校準精度。

1 研究現狀

由于信號發生裝置在不同頻率下，其輸出特性并不一致。為了達到在不同的工作頻率下，能輸出穩定的功率，則必須進行功率校準。功率校準主要包括兩個部分ALC環路功率校準（110dB步進衰減器直通狀態下）和110dB步進衰減器差值校準。

ALC環路功率校準通過調整ALC環路DAC值對輸出功率進行校準，具體校準步驟如下：校準開始，設定好校準頻點，同時設置需要校準的功率值（比如0dBm）以后，然后開始向D/A轉換器依次發送DAC控制字，功率計會測出信號裝置輸出功率值，直到測出的功率值與需要校準的功率值的差值在結束條件的范圍內（比如±0.05dB），然后記錄校準頻點、DAC值和校準功率值，接下來更換需要校準的功率值，重復以上操作，直到所有需要校準的功率值校準完成，則當前頻點校準結束，校準程序自動切換到下一個校準頻點，重復以上操作，直至整個信號發生裝置校準過程結束，校準數據會以二進制文件的形式保存。

110dB步進衰減器差值校準。110dB步進衰減器分成幾個擋片，在工作時每個擋片實際衰減值和理論衰減值有差值，為了保證小功率信號的準確性，需要對110dB衰減器進行校準。具體校準步驟如下：首先，設置ALC環路的DAC值為固定值，一般選擇0dBm對應的DAC值，同時設置所有衰減擋片為直通狀態，讀取功率計的值記為基礎功率P0，然后分別設置各個衰減擋片為衰減后，讀取功率計的值記為Pi，各衰減擋片的理論衰減值為Ai，則每個衰減擋片的差值為：Ai-（P0-Pi），則當前頻點校準結束，校準程序自動切換到下一個校準頻點，重復以上操作，直至整個信號發生裝置校準過程結束，形成衰減器校準數據文檔，以二進制形式存放在本地磁盤。

目前功率校準存在的問題：（1）ALC環路功率校準誤差，因為在校準ALC環路功率時，需要設置結束條件（比如δ為±0.05dB），會引入最大2δ的校準誤差；（2）校準時間長，目前信號發生裝置的頻率覆蓋范圍已經擴展到50GHz甚至更高頻率，功率校準花費的時間非常長，初步估算按照20MHz步進進行校準，需要校準2501個頻點，每個頻點的校準時間大約為6s，這樣計算后每臺儀器功率校準的時間為15006s，大約4h，時間非常長；（3）小功率準確度差，現有110dB衰減器校準的理論依據是，當多個擋片同時使用時，衰減器的偏差值等于每個衰減擋片偏差值的和，但是實際存在偏差，特別是隨著頻率的增大，偏差會越來越大。針對以上問題，需要研究信號發生裝置中快速高精度的功率校準方法。

2 功率校準優化方法

由于信號發生裝置需要批量化生產，降低功率校準時間和提升功率校準準確度成為信號發生裝置生產過程中急需解決的問題。首先,針對信號發生裝置的特性進行分析，然后,根據目前功率校準存在的問題列表進行深入研究，提出幾種優化功率校準的方法，相互配合實現信號發生裝置功率校準時間降低和準確度提升。

2.1 二次功率補償和ALC環路DAC值固定方法

隨著微電子技術的發展和測量儀器硬件設計水平的提高，硬件電路一致性越來越好，通過對多臺信號發生裝置功率校準的數據進行分析，得出以下結論：（1）不同儀器的相同頻率點的DAC值的線性度基本一致；（2）不同儀器在同一個校準頻點、同一個校準功率的DAC值的差值比較小，轉換成功率最大偏差大概在2～3dB左右。

基于以上分析得到的結論以及ALC環路功率校準誤差，我們提出一種固定ALC環路DAC值和二次功率補償的方法。具體思路：（1）獲取ALC環路固定DAC值：針對信號發生裝置，我們以20MHz為步進或者更小的頻率步進值對某一臺信號發生裝置進行ALC環路功率校準，并把校準得到的ALC環路DAC值存儲下來，作為每臺信號發生裝置的校準基礎值，該校準值只需要每一批次生產的信號發生裝置校準一次即可，這樣就可以節省大量的校準時間；（2）獲取二次功率補償數據：每臺信號發生器裝置增加二次功率補償，即記錄不同頻點、不同功率值調用步驟（1）中固定的DAC值后與理論的功率值之間的差值；（3）使用二次補償數據：當設置頻率f和功率值P后，主機軟件首先根據二次功率補償數據獲得該頻率和功率設置值的功率偏差值ΔP，然后調整用戶設置的功率值為P+ΔP，最后通過固定的ALC環路DAC值和實際功率值，得到實際的DAC值，達到ALC環路功率精確輸出的目的。

通過該方法，首先ALC環路DAC值校準時需要多次調整DAC值才能得到最終的DAC值，二次功率補償只需讀取一次該固定DAC值下實際的功率值，因此，固定ALC環路DAC值增加二次功率補償可以大大降低校準時間，針對50GHz的信號發生裝置校準時間可以降低為原來的25%；同時，雖然在固定的ALC環路DAC值中仍然存在最大2δ的校準誤差，但是通過二次功率補償獲得的偏差值已經把該校準誤差包含在內，因此，通過二次功率補償方法可以提高功率校準的精度。

2.2 衰減器二次補償方法

通過對多臺信號發生裝置使用衰減器校準數據后的實際輸出功率值進行分析，得出以下結論：（1）在使用衰減器90dB之內時，小信號功率偏差比較小；（2）當使用衰減器大于90dB時，小信號功率偏差開始變大。

基于以上分析得到的結論以及小功率準確度差，我們提出一種衰減器二次功率補償的方法。具體思路：（1）設置固定DAC值，一般選0dBm對應的DAC值；（2）設置衰減器為直通狀態下，通過頻譜儀讀取功率值，記為P0，設定直通時，二次補償值為0；（3）設置衰減器衰減90dB后，通過頻譜儀讀取功率值，記為P90，則90dB衰減的補償值為P0 - P90 -90，90dB以內的二次補償值通過線性插值的方法獲取；（4）設置衰減器衰減110dB后，通過頻譜儀讀取功率值，記為P110，則110dB衰減的補償值為P0 - P110 -110，90dB到110dB之間的衰減器二次補償值通過線性插值方法獲取；（5）使用衰減器二次補償數據：當設置頻率f和功率值P后，主機軟件首先根據衰減器二次功率補償數據獲得該頻率和衰減器值的衰減器二次補償值ΔPatt，然后調整用戶設置的功率值為P+Patt，最后通過固定的ALC環路DAC值和實際功率值，得到實際的DAC值，達到小功率精確輸出的目的。

2.3 多線程校準方法

以上兩種方法是通過分析硬件特性獲取的優化方法，接下來我們從軟件的角度去優化校準方法。通過對校準流程的研究發現，我們每次在設置完信號發生裝置的參數需要等待幾百毫秒，實現信號發生裝置信號穩定以及功率計和頻譜儀測量值穩定。這幾百毫秒的等待時間中，我們可以充分利用。

基于以上分析得到的結論，我們結合多線程技術，提出了一種多線程校準方法用于多臺儀器同時校準，該方法適合于多種校準功能，不只是功率校準。該方法的具體思路：（1）在校準軟件中添加校準儀器管理模塊，當有儀器需要校準時，就創建一個線程用于該儀器的校準；（2）增加校準線程管理模塊，用于管理多臺儀器的校準，當其中一臺校準儀器處于等待過程時，去設置另外一臺儀器的參數，依次類推，達到多臺儀器同時校準，充分利用校準等待時間的目標。該方法適用于信號發生裝置批量生產過程。

結束語：傳統的功率校準方法，雖然可以滿足信號發生裝置輸出功率技術指標要求，但是校準效率較低、校準的準確度也不高。本文提出的幾種功率校準的優化方法，不但縮短了功率校準所需的時間，而且提高了功率校準精度。下一步的工作將進一步分析校準流程和硬件特性，結合人工智能、機器學習等新興技術，尋找新的功率校準優化方法。