提高射頻信號源的測量精度的八大技巧

信號源可為各種元器件和系統(tǒng)測試應(yīng)用提供精確且高度穩(wěn)定的測試信號。信號發(fā)生器則增加了精確的調(diào)制功能，可以幫助模擬系統(tǒng)信號，從而進行接收機性能測試。本文旨在幫助您提高射頻信號源的測量精度。在進行測試配置時，您可以通過這里的一個或多個技巧來獲得更精確的數(shù)據(jù)。

技巧 1. 減少信號源的有效諧波失真 - 在信號源的輸出端加上一個低通濾波器，可以減少諧波失真。

技巧 2. 提高功率電平精度 - 使用功率計，可以更精確地測量被測器件（DUT）端口的信號電平。

技巧 3. 提高頻率精度 - 選擇適當?shù)膮⒖碱l率，可以提高絕對頻率精度或相對頻率精度。

技巧 4. 改善信號源匹配 - 使用固定衰減器，可以減少失配誤差。

技巧 5. 結(jié)合使用信號源的多路輸出，進行 TOI 測量 - 使用適當?shù)脑O(shè)置可以隔離信號源，并且改善匹配情況。

技巧 6. 擴大幅度范圍 - 使用放大器增大或使用衰減器縮小信號源的幅度范圍。

技巧 7. 針對 LTE 器件測試進行優(yōu)化 - 使用適當?shù)臑V波技術(shù)，以便優(yōu)化 EVM 和 ACLR。

技巧 8. 選擇理想的相位噪聲特征 - 選擇適當?shù)南辔辉肼曁卣?，從而?yōu)化信道內(nèi)和信道外的測量。

典型的矢量信號發(fā)生器（信號源）結(jié)構(gòu)圖。

技巧 1. 減少信號源的有效諧波失真

為了精確測量諧波失真，需要使用頻譜純凈的信號源和頻譜分析儀。信號源的諧波失真和頻譜分析儀的動態(tài)范圍都是影響測量質(zhì)量的重要因素。相比而言，信號源的影響通常會更大一些，其諧波失真一般比基頻信號低 30-50 dB。圖 1a 展示了典型的諧波失真測量結(jié)果。信號的諧波失真通常是用最大諧波幅度（dB）與基頻信號幅度的比值來描述的。

使用低通濾波器可降低信號源的有效諧波失真，如圖 1b 所示。選擇低通濾波器的截止頻率，以確保大部分的基頻信號能夠完好地通過，而諧波則受到大幅削弱。您可以使用頻譜分析儀直接檢驗信號源/濾波器組合之后的性能。如果基頻信號通過濾波器之后損耗比較大，那么在設(shè)置信號源輸出電平時，應(yīng)考慮到這種損耗。可以使用頻譜分析儀來檢查濾波器輸出端的基本電平，或者如需實現(xiàn)更好的電平精度，則請參見“技巧 2”。

注：您可以計算特定諧波（如 m 次諧波）的失真度（％），

還可以計算總諧波失真：使用上式計算每個諧波的失真，然后再計算其求和之后的平方根：

圖 1a. 使用信號分析儀測量諧波失真。

圖 1b. 使用低通濾波器可降低信號源的有效諧波失真

技巧 2. 提高功率電平精度

在您的測試設(shè)置中，信號源與被測器件之間一般都會用到無源器件，例如電纜、濾波器或開關(guān)。這些器件會對被測器件的信號電平精度產(chǎn)生影響。輸入信號的電平精度在某些應(yīng)用中非常重要，比如在測量接收機的靈敏度時。為了對被測器件施加預定的功率，可以在測量之前進行以下測試。如圖 2 所示，測試系統(tǒng)中包括信號發(fā)生器、配有功率傳感器的功率計，以及測量中需要使用的電纜或開關(guān)。

您需要熟悉功率計的校準和歸零操作，以便根據(jù)功率傳感器的參數(shù)來校準功率計，首先完成精確的功率測量。

注：功率計的測量精度取決于傳感器的校準系數(shù)；請務(wù)必先將校準系數(shù)輸入功率計，再進行校準。

您可以使用 USB 功率傳感器或外置功率計來對功率電平進行校準。通常，USB 傳感器使用起來更為簡單，因為支持此類傳感器的信號發(fā)生器可以自動將這一特定傳感器的校準系數(shù)下載至信號發(fā)生器的存儲器中。某些信號發(fā)生器還支持外置功率計，能夠利用遠程接口（如 LAN 或 GPIB）自動下載校準系數(shù)。

完成對功率計的校準之后，將其測量頻率設(shè)置為信號的頻率。按圖 2 所示，連接傳感器用它代替被測器件，然后測量功率電平。如果功率計讀數(shù)與信號源所示的電平存在差異，則使用信號源的幅度偏置功能進行必要的調(diào)整，以讓信號源所示的功率電平與功率計的讀數(shù)保持一致。在調(diào)整完特定頻率的幅度之后，信號源將自動顯示相同頻率下不同幅度的正確值。請注意，許多信號發(fā)生器會自動執(zhí)行此類校正，并在校正過程中應(yīng)用功率傳感器的校準系數(shù)，以便在各個頻率下提供正確的輸出。功率計的精度非常高（不確定度只有零點幾 dB），因此可以為您保證功率電平的精確性。

圖 2. 用于提高信號電平精度的測試設(shè)置。

技巧 3. 提高頻率精度

對于某些測量來說，激勵信號的絕對頻率最為重要，而其他測量只需要在多個信號之間保持準確的相對頻率間隔即可。例如，要用已知的頻率創(chuàng)建多音頻輸入，傳統(tǒng)方法是將多個模擬信號發(fā)生器的輸出組合在一起。每個信號源的頻率精度取決于其內(nèi)置的頻率標準件。這些標準件很可能在頻率上略有偏差，因此會導致測量結(jié)果存在相對頻率誤差。

例如，假設(shè)您想要在兩個 200 MHz 中心頻率的信號之間設(shè)置 1 KHz的間隔，而信號源的老化率為 ± 1 x 10-6/年。在這種情況下，信號源的頻率誤差是 200 MHz x 1 x 10-6 = ± 200 Hz。于是，該間隔可能會是 600 Hz 到 1400 Hz 之間的任何一個值（參見圖 3）。為了提高精度，可以將兩個信號源的時基連接在一起。將其中一個信號源的參考信號輸出（通常位于機箱的后面板上）連接至另一個信號源的參考信號輸入?，F(xiàn)在，間隔的不確定度為 1 KHz x 10-6 或 0.001 Hz。

如果您使用的是矢量信號發(fā)生器（信號源），那么只需要一臺這樣的發(fā)生器即可創(chuàng)建多音頻信號。由于所有的音頻信號都是用同一個通用基帶時鐘頻率生成的，所以它們相對的音頻間隔將會非常精確。

但如果信號的絕對頻率很重要，那么可以尋找更精確的外部頻率參考件來提高信號源的頻率精度。為您的測試裝置選擇帶有最精確時基的儀器，然后將所有其他設(shè)備都連接到這個參考上。某些儀器制造商會提供高穩(wěn)定度的溫控參考振蕩器作為選件。這些頻率和時間標準件十分精確，但價格也可能會非常高昂。

您可以使用內(nèi)部標準件（在整個設(shè)備內(nèi)使用統(tǒng)一的高精度頻率參考）來提高頻率精度。將信號發(fā)生器和所有其他設(shè)備連接到這個參考上。您可能需要使用信號分配放大器來保持適當?shù)碾娖胶妥杩蛊ヅ洹?/p>

注：使用外部頻率參考時，其相位噪聲可能會導致信號發(fā)生器（信號源）的相位噪聲性能下降。因此在使用之前，務(wù)必要注意外部參考信號源的相位噪聲性能。

圖 3. 陰影區(qū)表示此示例的相對頻率誤差范圍。

技巧 4. 改善信號源匹配

信號源匹配非常重要，因為很多測試設(shè)備的匹配度都不太理想。信號源與負載阻抗之間的失配會改變被測器件的有效信號輸入電平。另外，測試設(shè)備一般不會直接連接至信號源，這就使問題變得更為復雜。在信號源和負載之間常常會有電纜和其他元器件，如適配器和濾波器。如果您使用適配器來適應(yīng)測試設(shè)備的連接器類型，使用濾波器來消除信號源的諧波等，則應(yīng)注意這些元器件會降低測試設(shè)備所檢測到的信號源匹配度。有多種方法可以減少這種失配。最簡單的是在測試設(shè)備的輸入端插入一個匹配良好的固定衰減器。這樣便可將等效的信號源匹配改善兩倍的衰減量（以 dB 表示）。

如果負載的匹配較差，它就會把信號反射回信號源。信號源并不能完全吸收被反射回來的信號，其中部分信號還會被再次反射給負載。根據(jù)信號相位的不同，這種再反射波會對負載產(chǎn)生或利或害的影響。從測量角度看，最大功率傳輸和最小功率傳輸分別代表了可能因阻抗失配而導致的最大和最小誤差。

下例（圖 4）顯示了插入衰減器之后對測量帶來的影響。

圖 4. 信號源匹配影響了測量的不確定度。

技巧 5. 進行高質(zhì)量的 TOI 測量

在組合使用兩個信號源進行三階互調(diào)（TOI）測量時，務(wù)必正確端接信號源并將二者相互隔離。如未隔離，信號源將會相互交調(diào)，并在被測器件的輸入端產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物（圖 5a）。這種情況會掩蓋器件的真實交調(diào)性能。

每個信號源都希望看到理想的 50Ω 終端。使用電阻式合路器時，務(wù)必使用三電阻式，而非雙電阻式。參見圖 5b。雙電阻式合路器/分離器用于電平校正應(yīng)用，分離器的一端連接至功率計，用以提供精確的電平控制。對于 TOI 應(yīng)用，雙電阻式合路器并不會在所有端口上都提供 50Ω 匹配。除了在所有三個端口提供合適的端接外，三電阻式分離器還會在兩個信號源之間提供 6 dB 的隔離度。

組合使用兩個信號源的最佳方式是使用定向分離器或定向耦合器，它們均可提供良好的端口匹配和額外的隔離度。

無論使用哪種類型的合路器，在合成信號之前，您都可通過在每個信號源的輸出端加入衰減器來改善信號源之間的隔離度。您可以增大信號源的功率，以便對額外的衰減做出補償。通過在每個信號源的輸出端增加一個 10 dB 的衰減器，可將隔離度增大 20 dB。另一種增大隔離度的方法是在每個信號源的后面加上放大器。放大器的反向隔離特性一般可以為兩個信號源提供充裕的隔離度。

對于某些信號源來說，關(guān)閉輸出端的自動電平控制（ALC）功能會減少互調(diào)產(chǎn)物，從而防止兩個信號源之間的功率電平控制發(fā)生沖突。但是對于寬頻偏移（一般為 100 kHz 或更高）來說，這并不是問題，因為在 AM 關(guān)閉時，大部分的 ALC 帶寬都相當小。

圖 5a. 兩個互調(diào)的信號源之間造成互調(diào)產(chǎn)物的示例。

圖 5b. 使用三電阻式合路器對信號源的輸出進行隔離。

使用矢量信號發(fā)生器時，只要各音頻信號之間的總頻率間隔不超過基帶信號發(fā)生器的帶寬，您就可以用一臺信號發(fā)生器生成多種音頻信號。這樣便無需在外部合成信號，因此測試設(shè)置會更加簡單。動態(tài)范圍會受到基帶信號發(fā)生器垂直分辨率有效位數(shù)的限制。矢量信號發(fā)生器一般還表現(xiàn)出較小的載波饋通，如圖 5c 中心區(qū)域所示。使用軟件預失真技術(shù)，可以進一步減少互調(diào)產(chǎn)物，如圖 5d 所示。

圖 5c. 在矢量信號發(fā)生器上創(chuàng)建的雙音頻信號，兩個音頻信號與三階產(chǎn)物的間隔超過了 70 dBc。

圖 5d. 使用預失真技術(shù)校正間隔不相等的音頻。

技巧 6. 擴大幅度范圍

信號發(fā)生器有一個重要的技術(shù)指標，那就是輸出功率范圍。當您需要的輸出功率超出這個范圍時，可以使用放大器增大輸出功率，或者使用衰減器來降低輸出功率。在使用這些設(shè)備擴展信號源的輸出幅度范圍時，有一些重要因素需要注意。放大器的增益不確定度會直接影響輸出信號電平。因此，要特別注意放大器的 1 dB 壓縮點。如果需要使器件趨近該壓縮點，則應(yīng)在輸出端加上一個低通濾波器，以便把增加的諧波失真降下來 （圖 6a）。

和放大器的情況一樣，在使用衰減器時，也需要考慮一些不確定因素，比如衰減器的平坦度和精度。為了實現(xiàn)最精確的測量，可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀對衰減器進行定標，然后校正信號源功率，以補償衰減器的誤差。

當您使用外置放大器或衰減器時，技巧 2“提高功率電平精度”中介紹的方法同樣有效，能夠幫助您盡量提高測量精度。

干擾信號是一個主要的誤差來源，特別是在幅度電平非常小的時候。干擾信號可能來自外部輻射（例如附近的無線電臺）或信號源本身的信號泄漏。信號源的泄漏會影響輸入到被測器件的電平，而外部噪聲則會影響測量數(shù)據(jù)。為了提高測量的準確性，可將被測器件放置在屏蔽環(huán)境中，如金屬箱（圖 6b）或屏蔽室內(nèi)。另外還可以使用 TEM（橫向電磁波）室，它也可以減少因外部輻射以及外部衰減器或信號源的信號泄漏所造成的 影響。

圖 6a. 增大幅度范圍時，使用低通濾波器可以降低所增加的諧波失真。

圖 6b. 縮小幅度范圍時，將被測器件放置到屏蔽環(huán)境中。

技巧 7. 針對 LTE 器件測試進行優(yōu)化

LTE 標準不同于 cdma2000?、W-CDMA 或 HSPA 等前幾代的移動通信標準，它并未定義出特定的傳輸濾波器。因此，您可以使用各種濾波器來優(yōu)化信道內(nèi)性能以改善 EVM，或者優(yōu)化帶外性能，以提供更好的 ACPR 和頻譜模板特征。不過您需要在這些特征之間做出權(quán)衡，因為在優(yōu)化其中一種特征時，相應(yīng)地會弱化另一種特征。

測試元器件時，首先最好是使用 EVM 或 ACLR 性能更佳的激勵信號，這樣可以清晰地確定被測器件造成的性能下降。Keysight Signal Studio 軟件提供了不同的濾波選項，允許用戶修改信號的 EVM 和 ACPR 特征。該軟件默認啟動是德科技定義的基帶信號 濾波器，以便使 ACPR 和 EVM 性能達到良好平衡。如果想要優(yōu)化信號的 EVM 性能，您可以采用其他濾波方式，比如輸入一個非零的符號滾降長度值（單位為 Ts，1 Ts = 32.55 ns）。這將為時域中的 OFDM 設(shè)定一個恰當?shù)募哟伴L度，以消除 OFDM 符號間的不連續(xù)點。增大該參數(shù)值可以改善 EVM 性能，但同時也可能會降低 ACPR 性能。

圖 7a、7b 和 7c 中的示例顯示了使用不同濾波方式得到的測量結(jié)果。所有示例均使用了 5 MHz E-TM 1.1 信號，該信號將所有可用的資源塊（RB）都分配給了使用 QPSK 調(diào)制的 PDSCH。圖 7a 顯示了使用默認基帶信號濾波器的結(jié)果。復合 EVM 大約為 0.53%，ACPR 為 -73.2 dB。圖 7b 顯示了關(guān)閉基帶信號濾波器并將符號滾降長度設(shè)置為 20 Ts 時的結(jié)果。這種組合實現(xiàn)了更好的 EVM，但相鄰信道內(nèi)的頻譜增生卻非常嚴重。 EVM 大約是 0.37%，而 ACPR 為 -43.1 dB。

這兩種濾波方式可以結(jié)合使用，以便提供更好的 EVM 性能，同時保持良好的 ACLR 性能。圖 7c 顯示了啟動基帶信號濾波器并將符號滾降長度設(shè)置為 20 Ts 時的結(jié)果。EVM 是 0.46%，ACPR 為 -73.1 dB。圖 7c 中的測量結(jié)果表明，Keysight MXG 信號發(fā)生器具有非常出色的 ACLR 性能?；诓煌男盘枀?shù)，MXG 的 ACLR 性能通常要比其他（EVM 性能水平相當?shù)模┬盘柊l(fā)生器高出 3-5 dB，因此在測試高性能器件時，MXG 具有顯著優(yōu)勢。

信號源自身的隨機噪聲會導致信號功率分散在一定的頻率范圍內(nèi)，這種現(xiàn)象被稱作相位噪聲；在數(shù)學建模時，它通常采用隨機相位調(diào)制來表達。相位噪聲的單位為 dBc/Hz，表示的是：當載波歸一化為 1 Hz 帶寬之后，相位噪聲比載波低了多少（單位為 dB）。相位噪聲是用相對于信號源的輸出頻率的偏移值來表示。例如，對于一個 3 GHz 頻率的信號，信號源的相位噪聲可能會在 20 kHz 的頻偏處表示為 -131 dBc/Hz。

某些信號發(fā)生器可以選擇兩種相位噪聲模式，如圖 8a 所示。您可以針對信道內(nèi)測量或信道外測量來定制合適的噪聲性能。如果信號發(fā)生器內(nèi)部合成器的鎖相環(huán)帶寬增大，那么進行信道內(nèi)測量時，在較低偏移處（例如小于 150 kHz）的相位噪聲會降至最小，但代價是在較高偏移處的相位噪聲會增大。相反，如果使用較窄的鎖相環(huán)帶寬，那么進行信道外測量時，在較高偏移處（例如大于 150 kHz）的相位噪聲將會達到最佳，而代價便是，在較低偏移處的相位噪聲會增大。

部分型號的信號發(fā)生器提供了一種優(yōu)化模式，可以優(yōu)化其信噪比性能。如圖 8b 所示，這種模式可針對給定的衰減器設(shè)置來調(diào)整 ACL 電平，從而降低寬帶噪聲。建議使用這種模式來測試寬帶接收機和其他對總體噪聲功率十分敏感的器件。

相位噪聲通常顯示在雙對數(shù)坐標軸上，方便您在同一個圖中查看近端相位噪聲（偏移小于 1 kHz）和遠端相位噪聲（偏移大于 1 MHz）。

圖 8b. 優(yōu)化信噪比，降低寬帶噪聲。

結(jié)論

在進行測試配置時，適當采用上述技巧有助于提高數(shù)據(jù)精度，并為您的元器件、接收機或系統(tǒng)測試應(yīng)用帶來更精準、更穩(wěn)定的測試信號。

編輯：hfy