基于自适应电平控制的频谱分析仪动态范围扩展技术

郭亚楠，杜会文，丁毓恒，赵子正

（中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266555）

0 引 言

动态范围是频谱分析仪的一项重要技术指标，是指在规定测量准确度条件下，频谱仪能够测量的同时存在于输入端的最大信号与最小信号的功率比。它表征了分析仪测量同时存在的两个信号幅度差的能力。动态范围指标主要受频谱分析仪的接收灵敏度、1 dB 压缩点及三阶截获点等指标的制约[1]。

近年来，5G 移动通信技术发展迅速。5G 通信技术的其中一个特点是灵敏度高、抗干扰能力弱[2]。因此，其相邻频道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）是一项重要的考核指标。在保证信道内信号功率的同时，信号在邻道泄漏的功率要足够小。频谱分析仪作为5G 信号的主要测试设备，需能够准确测试信道内的大信号功率及邻道内泄漏的小信号功率。这就要求其自身的动态范围指标要足够高。这对频谱分析仪的通道设计提出了严峻的考验。本文设计的频谱分析仪接收通道三级电平自动控制方案可很好地提高频谱分析仪的动态范围，从而满足5G 移动通信测试的应用需要。

1 方案实现

ACLR 测试对信号分析仪的接收动态范围要求高，在强弱信号并存的情况下，需要对每个信号都能进行准确测量。在如图1（a）所示的情况下，要求对强弱信号都能进行简单测量。如果强信号功率非常大，超过了信号分析仪的最大动态范围，如图1（b）所示，仪器直接接收信号，很容易造成设备增益压缩，产生众多的失真假信号。为了避免这种情况的发生，一般采用降低通路增益的方法，使强信号位于信号分析仪的动态范围之内，如图1（c）所示。然而，增益的降低又会影响仪器对微弱小信号的测试能力，甚至会导致小信号淹没在信号分析仪的噪声基底中而无法进行测试[3]。

图1 强弱信号并存情况示意

本文采用三级电平自动控制方案来解决上述强弱信号并存的测试难题，在提高大功率信号测试能力的同时降低本底噪声的恶化程度，从而提高接收信号的动态范围。三级电平自动控制方案原理如图2 所示[4]。

图2 三级增益自动控制方案

其中，第一级电平自动控制模块由输入端可变增益模块和低波段可变增益模块、高波段可变增益模块两部分构成。它们之间通过低波段预选器和高波段预选器相连接。通常情况下，这两部分可变增益模块不同时起作用。这种结构能够有效地解决带内、带外强弱信号并存的测试难题。例如，当带外信号很大而带内信号又非常小时，输入端可变增益模块不起作用，信号直接进入低波段预选器或高波段预选器。预选器滤除带外强信号，保留带内小信号，这些小信号经过低波段可变增益模块或高波段可变增益模块放大处理后，可以明显改善信号的信噪比，提高信号的测试精度。当带内、带外信号都很小时，输入端可变增益模块起作用。由于这个模块位于设备的最前端，且采用低噪声设计技术，因此，后端信号处理模块也可以在最佳测试量程范围内进行准确测试[5]。

三级电平自动控制方案中的第二级是中频可变增益模块。它将输入信号的峰峰值限制在A/D转换器的最大允许范围内，防止输入采样的A/D 溢出。第三级数字可变增益模块对窄带滤波处理后的信号进行增益的自动控制，确保测试结果的准确性[6]。

实现上述三级电平自动控制方案，需要解决增益的自适应控制技术。电平自适应控制技术的表征模型如图3 所示。

图3 电平自适应控制技术的表征模型

输入r(t)乘以增益a后得到信号s(t)，然后对其采样得到输出s(k)。性能评估模块用来衡量s(k)并决定增大a还是减小a。由此可以看出，自动电平控制技术的关键在于如何根据信号的变化来自动地调整增益参数a，使其输出维持在某个特定的范围。

为了自适应地调整增益参数a，本文方案采用最陡下降递归迭代法来进行实时求解。算法选用公式（1）作为性能评价函数。

式中：a为需要调整的增益参数，r(kT)为输入信号在kT时刻的值，s(k)为采样信号，d为想要得到的平均能量。

性能评价函数的误差表面如图4 所示。由图4可以看出，该函数具有非常明显的局部极小值。只要初始值选择正确，参数a就会沿着误差表面下降到局部极小值位置，算法成功收敛。

图4 性能评价函数的误差表面

在控制方法方面，本文设计了一种超外差接收分析仪器通道输出电平的自动调节系统以及自动调节方法，使用通道电平输出控制器并结合耦合器、功率检测单元、定时器、计数器以及中断控制器完成扫描过程中通道输出电平的自动控制，从而达到提高信号测量精度的目的。技术原理如图5所示。

图5 通道输出电平自动调节系统原理框图

2 指标测试

将自适应电平控制技术应用到某型号信号分析仪中，仪器对5G NR 信号的ACLR 测试能力获得了较好的提升，测试结果如图6、图7 所示。图6 为未采用自适应电平控制技术时信号分析仪的5G NR ACLR 测试水平，邻道为-55.6 dBc。图7 为采用自适应电平控制技术后信号分析仪的5G NR ACLR 测试水平，邻道为-61.2 dBc，提升了5.6 dB。

图6 未应用自适应电平控制技术的ACLR 指标

图7 应用自适应电平控制技术的ACLR 指标

3 结 语

5G 通信技术对频谱分析仪等测试设备的动态范围指标要求越来越高。针对这个应用需求，基于自适应电平控制技术，本文设计了频谱分析仪接收通道三级电平自动控制方案，大大提高了频谱分析仪的动态范围。该方案已应用到某型号信号分析仪中，5G NR 信号的ACLR 指标测试改善了5 dB，效果显著。