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为接收机灵敏度测试选择合适的可编程衰减器

Bryan Walker，JFW Industries, Inc.

随着连接技术的迅猛发展，以及从航空航天、国防到消费类手持设备等几乎所有应用领域对无线通信的渴求，对于用于无线设备制造的测试系统的需求日益增加。为了提高测试的吞吐量，并且更精确、可重复，对射频硬件自动测试的依赖比以往任何时候都要大。对于许多无线通信和传感设备来说，接收机灵敏度测试是决定成败的关键之一。这项测试对于公共安全、消防救援和军事通信等关键服务尤为重要，因为这些服务对无线连接的依赖性越来越强，而且往往部署在一些环境最恶劣、风险最大的地方。

现代接收机灵敏度测试的一个关键因素是可变或可编程衰减器。JFW Industries公司的典型衰减器见图1。

接收机灵敏度测试入门

接收机的灵敏度是指接收机能检测到的最低可辨信号。这导致仿真/线性接收机和数字接收机的定义略有不同。对于仿真/线性接收机，信号、噪声和失真除以噪声和失真（SINAD）得出的信号电平以dB表示。对于数字接收机，关键的性能指标是比特误码率（BER）。数字接收机的BER是接收机在单位时间内发生的误码数量。这一性能指标与接收机的信噪比（SNR）以及输入信号的质量有关。通常情况下，数字接收机规定了一定的BER阈值，不超过该阈值的接收机才能通过认证或被视为合适。在某些应用中，这种测试是为了确定接收机的绝对最低灵敏度，以达到操作目的，如雷达灵敏度与雷达的绝对探测范围挂钩。对于基于数据包的数字通信，使用数据包误码率而不是BER，数据包误码率与数据包而不是比特有关。

数字接收机有各种关键的接收机灵敏度测试，这是现实世界中各种干扰的结果。这些测试通常包含在无线标准中，包括Wi-Fi、蓝牙、4G/5G和卫星通信，它们将继续成为无线接收机获得认证的关键。在许多情况下，接收机的灵敏度会在一定的信噪比下设置在特定的水平，灵敏度取决于数字调制类型和码率。接收机灵敏度和动态范围测试的框图如图2所示。

接收机的选择性需要进行一套略有不同的测试，用于测量接收机在出现不希望出现的相邻信道干扰和同信道干扰时的性能。这些测试对于满足标准规范和获得认证也至关重要。它们通常被归入接收机灵敏度测试，因为这些测试都可以在类似甚至相同的测试装置中完成。图3是用于测量邻道干扰和同道干扰的测试装置的框图。

接收机灵敏度测试的一个挑战是，接收机灵敏度电平必须非常接近所需的测试信号电平。要注入精确控制的干扰信号，失真度必须尽可能低。如果干扰信号组合的失真度过高，那么系统中的非线性因素可能会产生比所需测试信号更大的杂散信号。这可能会混淆测试结果。这也是可编程衰减器在接收机灵敏度测试中发挥作用的另一个方面。

可编程衰减器在接收机测试中的作用

接收机灵敏度测试需要精确控制射频功率的大小。在生产测试中控制激励功率时，这种高精确度是一项至关重要的要求。在多个测试周期中，这些功率必须既精确又可重复。具有精确衰减值的外部可变/可编程衰减器可实现对被测设备（DUT）或被测系统（SUT）的输入信号控制。精确控制输入功率电平的能力将减少测试设备校准的频率，并提高测试的整体准确性。

在接收机灵敏度测试过程中，精确的功率测量也至关重要，因为即使接收机灵敏度的误差相对较小，也会影响实际部署中的性能。这种要求的一个例子是蜂窝部署，蜂窝覆盖范围由基站接收机的灵敏度决定。大型蜂窝基站部署以及有源天线系统（AAS）基站都是如此。不过，就有源天线系统而言，接收机灵敏度也是多输入多输出（MIMO）性能和波束赋形性能的一个函数。在蜂窝部署中，覆盖范围由接收机的灵敏度决定，测量中的任何误差都可能导致实际覆盖范围远小于网络部署时的预测。

除了在现场造成问题外，不适当的接收机灵敏度测试还会造成产量、质量和成本问题。在无线标准符合性测试中，设计和配置不当的接收机灵敏度测试可能会让性能不佳的设备通过，或者只让性能远高于规范要求的设备通过。无论哪种情况，都会直接影响成品率，并造成自动测试过程的低效，必须以高昂的时间和资源成本进行人工纠正。

精密可编程衰减器可帮助解决接收机灵敏度测试过程中功率电平不准确的问题。基站、信号发生器和基站仿真器等往往在较高输出功率时更精确，而在极低功率时会失去一定的精确度。这对接收机灵敏度测试是个问题，因为测试的目的是精确测量DUT/SUT接收机工作时的最低功率。

图4显示了解决这一问题的框图。在DUT/SUT之前，在定向耦合器的输出端使用可编程衰减器，可使测试装置在可编程衰减器的输出端有一个校准平面。该衰减器的目的是将信号发生器输出端的信号电平降低到校准的低电平。在此设置中，功率计的耦合输出可根据信号发生器最精确的量程进行校准。校准后，可对可编程衰减器进行调整，以获得更高的衰减水平，从而实现精确的低功率电平。

将此技术与可编程衰减器结合使用，就无需在每个功率电平校准信号发生器；校准衰减器将精确调整校准平面输出端的功率电平。这种方法还能降低测量的整体不确定性，并在极低功率电平下实现校准输出，前提是选择一个具有足够衰减水平的合适衰减器。信号发生器在不同功率电平下可能出现的线性或失真问题都可以通过这种技术得到缓解。这一点在最大限度地降低高吞吐量数字通信中使用的深度调制方法的非线性影响时尤为重要。

如前所述，这种方法可以减少在规定时间内需要执行的校准次数。在自动化或大容量测试环境中，这种方法极为有利。此外，校准只需在单个功率电平下进行，而无需在没有校准可编程衰减器的情况下进行多个功率电平校准。

另一个需要考虑的因素是，信号发生器、测试基站或基站仿真器也会有本底噪声。这会影响测试信号的动态范围。低功率级的仪器噪声密度可能包含大量的激励能量。在信号发生器的输出端使用外部衰减器可降低噪声和信号功率，并且不会带来任何明显的附加噪声。因此，在信号发生器的输出端使用外部衰减器可以降低接收机灵敏度测试的信号电平，降低射频仪器的表观本底噪声，并扩大测试激励的动态范围。

可编程衰减器的主要指标

数字可编程衰减器通常由TTL逻辑信号驱动，具有宽范围的衰减级别和离散的衰减级数。这类可编程衰减器通常配有软件工具。这些工具可能包括完整的软件套件、应用编程接口(API)或其他控制衰减器的方法。区分可编程衰减器，为特定任务选择最合适的衰减器非常重要。可编程衰减器的关键指标有：频率范围（赫兹）、衰减范围（dB）-最大衰减与最小衰减、衰减精度（±dB）、插入损耗（dB）、驻波比、步长（dB）、开关速度（微秒）、端口阻抗（欧姆）、互连类型（同轴连接器式或波导式）、射频输入功率（dB）、控制方法、直流电源。

图5显示了JFW的带有USB控制功能的可编程衰减器。可编程衰减器的性能通常是在特定频率范围内，在这些指标和尺寸的特定子集内实现的。衰减器的互连类型和内部结构是根据所需的性能和机械特性来选择的。对于可编程衰减器而言，最重要的特性之一是最大和最小衰减。可编程衰减器通常由模块内部的各种开关式固定衰减器组成。衰减始终以插入损耗为基准。这意味着衰减器的最小损耗是最低衰减电平加上衰减器的插入损耗。最大损耗是模块内所有固定衰减器与衰减器插入损耗的总和。值得注意的是，对于大多数射频设备来说，插入损耗是频率的函数，频率越高，插入损耗越大。可编程衰减器可以简单地确定"最佳"插入损耗，但更好的方法是确定衰减器在不同频率点的插入损耗。

模块内部的最小衰减步长决定了可调整衰减的最小有效位或最小增量。对于大多数可编程衰减器型号而言，这一步长通常为0.5或1dB，但有些型号的步长分辨率要低得多。其他衰减状态是通过将离散衰减级数和组合相加确定的，从最小值到最大值依次排列。例如，一个最大衰减量为63dB、最小步长为0.5dB的衰减器，其衰减步长分别为0.5、1、2、4、8、16和31.5dB。这个7位衰减器将为0.5dB至63dB之间的所有衰减值提供高于插入损耗0.5dB的衰减增量。

衰减精度是可编程衰减器的另一个关键指标。总体衰减精度通常取决于使用何种衰减级数组合来达到给定的衰减。较高的衰减级数通常不如较低的衰减级数精确，因为较小数值的固定衰减器通常比较大数值的固定衰减器更精确。

由于可编程衰减器中的各种固定衰减器是通过各种开关选择的，因此这些开关的速度决定了衰减器在衰减值之间转换的速度。与固态开关相比，机电继电器的速度可能要慢得多，而固态开关的开关时间应在几微秒之内。对于高吞吐量测试应用（如消费类无线设备的自动测试）来说，这是一个关键指标，因为它通常会大大增加整个设备的测试时间。

到此为止的讨论都是假设双向衰减器。在这些设备中，射频输入功率是对称的。也有一些单向可编程衰减器，只规定了不同输入端口的射频输入功率。只要定位正确，所述技术和特性都适用于这两种类型的可编程衰减器。

为接收机灵敏度测试选择合适的可编程衰减器

特定应用所需的衰减器的性能取决于所测试的接收机类型。根据接收机类型、适用的无线标准以及可用的测试设备的不同，所要求的性能也会大相径庭。例如，蜂窝基站接收机可能只需要测试低至-70dBm的信号，而GPS信号可能需要测试低至-140dBm的信号。根据测试所用信号发生器/仿真器的能力，这两种应用所需的衰减水平截然不同。

接收机的噪声系数和信号发生器的噪声系数也会影响衰减要求，这可能需要调整测试激励的表观噪声电平。

可编程衰减器有时需要在衰减范围和衰减步长之间做出权衡。衰减范围较大的可编程衰减器通常步长较大。因此，如果需要高分辨率和高精度，使用最大衰减范围可能并不可取。但情况并非总是如此，最低步长可能因特定可编程衰减器型号的主要应用而异。

在接收机灵敏度测试中，可编程衰减器的频率范围必须与被测接收机的频率范围相匹配或超过被测接收机的频率范围。除非接收机只在接收机频率范围内的给定频率下进行测试，否则就会出现这种情况。可编程衰减器的绝对衰减精度通常可以通过校准来设置。在某些罕见的应用中，需要尽可能高的绝对衰减精度。

对于高吞吐量自动测试应用或需要对接收机进行高分辨率测试时，可能需要快速切换。并非所有应用都需要极快的切换速度，但如果可编程衰减器的速度快于要求，则可提高衰减器在各种用例和测试设置中的实用性。在预算有限的实验室环境中，最好选择能发挥多种作用的可编程衰减器，而不是最适合单一场景的衰减器。

在某些情况下，接收机灵敏度测试可在与其他各种无线收发器或系统测试相同或仅稍作修改的测试装置中进行。可能需要可变衰减器来适应不同的测试技术。例如，可编程衰减器也可用于无线测试平台的吞吐量测试、切换/衰减测试和其他无线系统测试设置，如多径测试。图6所示为JFW采用TTL控制的可编程衰减器。

结论

数字可编程衰减器是现代接收机灵敏度测试以及其他各种测试应用的关键要素。对接收机、射频激励和测试台的了解最终决定了所需的衰减范围和可编程衰减器的频率范围。要准确确定如何最好地使用可编程衰减器来解决接收机灵敏度测试难题，就必须对信号链进行一些分析，并了解无线标准和规范。

图1 JFW的台式可编程衰减器，带手动和以太网/RS-232控制功能。

图2 接收机灵敏度和动态范围测试图。

图3 邻信道和同信道干扰测量框图

图4 利用外部衰减器实现高效功率校准的测试装置。

图5 USB控制的可编程衰减器。

图6 采用TTL控制的可编程衰减器。