杨波，闫旭鹏，吴英迪，刘梅（中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京 100045）

摘要：随着5G时代通信设备对配置灵活性要求的提高，设备“软件化”的趋势显现，射频前端逐渐和基带部分解 耦，成为了一个独立的模块。当前针对通信设备性能测试的指标和方法并不适用于此类模块的评估。通过 分析独立数字射频前端的结构和功能，总结了数字射频模块的主要性能参数及测试方法，并设计了的相应 测试系统。实验表明，这套测试系统在传统的射频测试能力之外，同时具备了数字基带总线信号的生成和 处理能力，能够实现针对独立数字射频前端各项性能的完整测试。

关键字：射频测试；数字射频前端；数字基带信号收发

Designing a Test System for Independent Digital RF Frontends

Abstract：With the increasing requirement on the configuration flexibility of communication devices in 5G era, the “softwaredefined” trend is emerging, and the digital RF frontend is gradually decoupled from the baseband part and becomes an independent module. However, the current test methods and metrics for the device performance test are not suitable for evaluating such module. Through analyzing the structure and function of the independent digital RF frontend, this paper summarizes the main performance parameters and test methods of the digital RF module, and designs the corresponding test system. Experiments show that this system has conventional RF capabilities, and it further has the capability of generating and processing the digital baseband signal, which can achieve a complete performance test for the independent digital RF frontend.

Keywords：RF test; digital RF frontend; digital baseband signal transceiver

0 引言 

    5G时代，随着处理器性能的日益提升和通信协议 对配置灵活型要求的逐步提高，通信信号处理“软件 化”的趋势逐渐显现[1]，很多新形态的通信系统都对设 备中基带信号处理部分和射频部分提出了解耦的要求。数字射频前端逐渐分离出来，成为了一个独立的模块， 主要负责射频信号和数字基带信号的相互转换。近年 流行的软件无线电解决方案，例如USRP[2]、BladeRF和 HackRF[3]等，均可以理解为在此类模块基础上的拓展。 其中，2013年和2016年，ADI推出了集成捷变RF收发器 AD9361/9371，将射频和模拟前端集成到一块芯片中， 并同时具备了宽频段、多天线、高动态范围等优势，逐渐成为了独立射频前端的行业标杆，大量研究者在这 一平台上开发产品或开展研究[4-6]。USRP的部分后续版 本，也在其基础上构建。

    在此背景下，数字射频部分很可能将形成独立中间 产品，成为最终通信设备的组成部分。由此，针对独立 射频模块的测试需求应运而生。然而，现有针对射频系 统的测试方法均针对完整设备和系统制定，高度依赖于 基带部分的调制、编解码等计算能力[7-8]。针对没有基带 处理能力的系统，目前尚没有完整的性能体系和检测标 准。同时，测试射频性能的实验室往往对数字基带信号 体系不熟悉，也没有相应的仪表配备。本文通过对独立 射频模块结构原理的分析，总结梳理了数字射频模块的 主要性能和测试指标，并构建了相应测试系统，实现了 对相应性能指标的测试。

1 数字射频模块结构和性能指标

通常来说，除了特定应用中需要的通道切换、滤波 等功能之外，数字射频前端包括了数字基带信号和模拟 基带信号的转换、射频载波生成、混频、放大等部分。 整体的代表性结构如图1所示。

其中，频率综合器负责从参考时钟产生本振信号， 决定了信号的载波频率的精度和准确度；ADC/DAC的 位数和误差决定了模拟和数字信号的精度；滤波器主要 用于抑制杂散和谐波；混频器的线性度决定了调制的准 确性；射频放大器和低噪放位于射频侧，会分别影响输 出射频信号的质量和进入混频器的接收射频信号的质 量。值得一提的是，图1只是一个代表性的结构，在部分专用系统中，可能会省略部分放大器/滤波器，或加入 部分信号切换和耦合路径等。

数字射频前端的功能是数字基带信号和射频信号之 间的转换。由于数字基带信号通常遵循通用的数字信号 标准，其测试意义并不显著，针对射频性能和信号转换 精度的考察是测试的重点。遵循射频测试的一般规律， 其主要的测试指标可以划分为三个部分：发射性能、接 收性能和其他性能。

发射机性能着重考察信号调制和射频输出能力， 其主要测试项包括发射功率、增益调节（范围、准确 度）、带内平坦度、ACLR、EVM和杂散和谐波等，主 要用以考察DAC的准确性、信号发射链路上各器件的线 性度、混频器的正交性。

接收机性能着重考察射频接收、抗干扰能力和信号 的解调能力，其主要测试项目包括接收机灵敏度、接收 信号动态范围、接收信号EVM、带内/带外干扰等，主 要考察信号接收链路上各器件的线性度、滤波器性能、 ADC的速度/精度。

其他项目考察系统中的其他部分，比如频率综合器 以及专用系统中其他设置的性能以及响应时间等。

2 测试方法难点

参考一般射频设备的测试方案，对于独立数字 射频模块，在其发射机的测试中，应当由测试设备产 生数字基带信号发送给被测模块，并测量其射频输出 的信号质量；在其接收机测试中，应当由测试设备产 生射频信号发送给被测模块，并测量其数字信号的输出。然而，传统的射频测试系统并不能实现这一方 案。一是传统的射频测试系统通常无法产生基于标准 数据的数字基带信号，或直接针对数字基带信号进行 分析；另一个问题是，由于独立射频模块并不处理信 号的“内容”，无法使用传统接收机测试项中的误包 率（PER）作为评判依据。

针对第一个问题，需要在测试系统中增加支持相应 功能的模块。可以选用的两种方法包括：

利用仪表提供的模拟基带接口，配合高速ADC/ DAC进行测试可以通过外加的高速ADC/DAC板卡实现 数字基带信号和模拟基带信号的实时转换，再通过信号 源和信号分析仪的模拟基带接口，实现和仪表基带处理 部分的直接连接，如图2所示。由于模拟基带接口通常 包含在仪表的原始配置中，这一方案成本较低且灵活度 较高，但需要根据需求，自行开发测试接口模块。

如图3所示，利用仪表厂家提供的高带宽数字基带 接口功能和转换模块进行测试Keysight，R&S等仪表厂 家均配备有支持高带宽的数字基带接口模块，可以把信 号源生成的信号以数字基带的形式发出，或将外部各种格式的数字基带信号实时引入信号分析仪进行分析。这 样的方法成本较高，方案依托于仪表厂家，灵活度较 差，但是能够获得较高的精度和速度。

在我们的实践中，我们使用Rohde & Schwarz公 司的数字基带模块EX-IQ-Box[9]，配合射频信号分析仪 FSW以及信号源SMW，构建了满足数字射频模块测试 要求的测试系统。EX-IQ-BOX用于转换信号格式和电平 标准，以适应不同被测设备的接口规范。整体测试系统 如图4所示。

针对在接收机测试中无法使用PER作为判定依据的 问题，可以在接收机测试项中，选用对原始数据解调结 果的原始误码率（BER）作为评判依据。由于测试中难 以在原始数据流和解调结果之间同步，使用了PRBS序列 作为数据源进行测试，这样，即使在无参考的情况下， 信号分析仪依然可以计算和统计接收到信息的误码率。 实际测试中，PRBS序列的阶数应根据被测系统所使用的 编码及调制方式进行选择。与传统使用PER作为判定依据 的方法类似，在测试中通常根据实际的调制/编码方案规 定PER上限，并依据此上限测量被测设备的极限性能。

3 测试系统验证

在构建完成的测试系统中，主要针对与传统射频测 试系统的差异，即数字基带信号产生和解调，以及PRBS 原始数据进行误码率分析和计算的功能进行了验证。

使用示波器的逻辑分析功能了数字基带信号输出功 能的验证。实验中，在矢量信号源中设置一个符号为全 “1”的2FSK信号，其频率偏移为1 MHz。在射频上， 此信号应为较载波频率高1 MHz的一个CW（连续波） 信号。在基带上，此信号I、Q两路应为相差π/4，、频 率为1 MHz的正弦波。通过矢量信号源的数字接口及数 字基带接口模块，将这一信号的数字基带发出，并使用 示波器的逻辑分析功能测量数字总线上的信号。受限于 逻辑分析仪的位数，实验中I、Q通道的高、低字节是分 别验证的。图5显示了在逻辑分析仪D7-D0位接入I路高 8位信号、D15位接入100 MHz的采样时钟时的分析结 果，其上半部分为各bit随时间的变化，下半部分为从数 字信号还原出的模拟信号。从图上可以看出，数字总线 的输出确为1 MHz正弦波对应的数字信号。实验证明， 测试系统中的信号生成部分能够合理输出并行数字基带 信号，供独立数字射频前端测试使用。

在数字输出信号得到验证的基础上，使用矢量信号 分析仪，配合矢量信号分析软件进行了对输入数字基带 信号分析和误码统计能力的验证。直接连接矢量信号源 和矢量信号分析仪的数字接口，由矢量信号源产生一个 数据来源为标准PRBS序列的64QAM调制信号。将矢量 信号分析仪的信号输入选为数字基带输入，正确设置信 号解调的参数、每一次参与BER计算的符号数和重复测

试的次数，仪表将能够依据这些参数计算输入信号的当 前、最高、最低和累计误码率指标。当前误码率指的是 最近一次截获的数据中的误码率情况；最低和最高误码 率指多次重复测试中，误码率最低和最高的测试结果； 累计误码率指的是多次重复测试完成后，总体的误码率 情况。

实际实验中，测试用原始数据为PRBS15序列，每 次记录和验证8 000个符号，即考察48 000个bit的误码 率情况，并不断重复试验累计其结果。由于数字信号中 几乎不存在噪声和干扰问题，为了能够测出一定的误码 率，实验中使用矢量信号分析仪的AWGN（加性高斯 白噪声）功能，人为在数字基带信号中加入一定水平的 高斯白噪声，再送入矢量分析仪进行分析。图6（a）、 （b）分别给出了在被测信号信噪比（SNR）为30 dB和 26.5 dB条件下的信号分析结果。

在图6中，上半部分窗口1、2、5分别为信号解调的 星座图、EVM情况和误码率情况的统计，下半部分窗口 3、4分别为采集到的时域IQ信号，以及最后解出的原始 数据。可以看到，在SNR为30 dB和26.5 dB情况下，信 号的EVM RMS值分别在3.02%左右和4.53%左右，在噪 声为AWGN的情况下，可以估算[10]出3.02%的EVM对应 误码率约在1.45×10-13范围，即几乎无法检出；4.53% 对应的误码率约在4.24×10-7量级。从图7中可以看到， 在3.02%的平均EVM下，超过1×109个bit中未检测到误 码；而在4.53%的平均EVM下，超过1×109个bit的测试 中，误码率为5.381×10-7，基本符合预期。可以认为， 这样的测试系统能够对数字基带信号实现正确的误码率 检测。

图6 SNR为30 dB和26.5 dB条件下的信号分析结果

由此可以证明，文中所述测试系统，可以实现数字 射频模块测试所需射频信号及标准数字基带信号的生成 和处理，从而实现独立数字射频模块的性能测试。

4 结论及后续工作 

为应对独立数字射频前端的测试需求，本文分析了 这一模块可能涉及的射频测试项目和测试方法，并构建 了相应的射频测试系统。验证性实验证明，这一测试系 统能够测试方法中所需要的标准数字基带信号输出、对 数字基带信号的解调及误码率统计等功能，能够实现针 对此类被测设备性能的完整测试。在此基础上，针对各 指性能标具体测试例的流程和参数选择，将是下一步研 究的重点工作。

参考文献： 

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[9] Rohde & Schwarz GmbH & Co.KG. R&S EX-IQ-BOX Digital Interface Module R&S DigIConf Software User Manual[Z]. 2020. 

[10] R A Shafik, M Shahriar Rahman, AHM Razibul Islam. On the Extended Relationships Among EVM, BER and SNR as Performance Metrics[C]//2006 International Conference on Electrical and Computer Engineering. IEEE, 2006: 408-411. ★