模擬和矢量信號(hào)源進(jìn)階使用技巧

通常射頻信號(hào)源的簡(jiǎn)單應(yīng)用通常只是輸入頻率、功率，加上一些模擬、數(shù)字調(diào)制，然而要充分挖掘出信號(hào)源的潛力和性能需要更多的技巧。本應(yīng)用指南會(huì)告訴您可以通過(guò)更多的方式提高射頻信號(hào)源輸出信號(hào)的質(zhì)量，具體內(nèi)容包括：

1. 提高功率精度
2. 提高頻率精度
3. 提高源匹配度
4. TOI（三階交調(diào)）測(cè)量：如何合成兩個(gè)CW信號(hào)并保持足夠的隔離度
5. 減小諧波失真
6. 提高信噪比
7. LTE測(cè)試中EVM與ACLR指標(biāo)的優(yōu)化
8. 減小衰減器切換的磨損

一個(gè)典型的模擬信號(hào)源的結(jié)構(gòu)圖如下所示。本文所涉及的射頻信號(hào)源不僅包括模擬信號(hào)源，還會(huì)聊到矢量信號(hào)源。

**1. **提高功率精度

如下圖1所示，信號(hào)源從端口輸出的信號(hào)，通常會(huì)經(jīng)過(guò)一些無(wú)源器件（如射頻線纜、濾波器、同軸轉(zhuǎn)接頭或者開關(guān)、放大器）才到達(dá)DUT。因此，到達(dá)DUT的信號(hào)功率的精度就會(huì)受到這些器件衰減或放大。在一些測(cè)量應(yīng)用中，比如接收機(jī)靈敏度測(cè)試，輸入到DUT的信號(hào)功率的精度是影響靈敏度測(cè)量精度的關(guān)鍵要素。

圖1. 信號(hào)源輸出信號(hào)設(shè)置

為了保證輸入到DUT的功率是預(yù)期值并保證精度，通常會(huì)如下圖2所示，用功率計(jì)（功率測(cè)量的不確定度較?。┗蛘哳l譜儀（功率測(cè)量的不確定度較大）測(cè)量每一個(gè)頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率的損耗（偏移），把這個(gè)損耗（偏移）補(bǔ)償?shù)叫盘?hào)源里。具體的實(shí)現(xiàn)方法是，如果功率計(jì)的讀數(shù)和信號(hào)源的設(shè)置功率有差值，那么就把這個(gè)差值補(bǔ)償?shù)叫盘?hào)源的功率偏移功能里，每一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)功率偏移值。當(dāng)信號(hào)源輸出指定頻率的指定功率時(shí)，信號(hào)源會(huì)自動(dòng)提高偏移值大小的輸出功率，從而補(bǔ)償功率的損耗。但是，這種方法的明顯缺點(diǎn)在于，每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率損耗都不同，要做到精確補(bǔ)償和每個(gè)頻點(diǎn)補(bǔ)償值的手動(dòng)輸入很麻煩。

圖2. 功率計(jì)測(cè)量信號(hào)源輸出信號(hào)

為了提高效率和精確度，信號(hào)源提供了User Correction (UCOR)功能，通過(guò)設(shè)置一張指定頻點(diǎn)的補(bǔ)償表格，功率探頭會(huì)將功率損耗或增益（統(tǒng)稱為偏移量，用正負(fù)表示）自動(dòng)填充到表格中。

圖4

信號(hào)源輸出的功率不是理想恒定的，而是隨著時(shí)間和溫度的變化有波動(dòng)。雖然信號(hào)源內(nèi)部有自動(dòng)電平控制電路（ALC）來(lái)減小這種波動(dòng)，但是對(duì)電平精度要求很高的應(yīng)用（如計(jì)量），就需要找到可溯源和定標(biāo)方法進(jìn)一步實(shí)時(shí)監(jiān)控并補(bǔ)償減小電平波動(dòng)。User Correction (UCOR)功能雖然能補(bǔ)償電平，但是無(wú)法做到實(shí)時(shí)，當(dāng)表格寫好之后，就無(wú)法實(shí)時(shí)補(bǔ)償隨著溫度引起的電平變化。

信號(hào)源都配備了閉環(huán)電平控制功能（Closed loop power control），如下圖所示。需要借助一個(gè)定向耦合器通過(guò)耦合臂耦合一部分功率給功率探頭，功率探頭事先把該定向耦合器的耦合度的S參數(shù)下載到功率探頭的內(nèi)存中，然后實(shí)時(shí)計(jì)算不同的頻點(diǎn)的真實(shí)功率，通過(guò)數(shù)據(jù)線反饋給信號(hào)源。信號(hào)源根據(jù)功率探頭的每次實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整電平，補(bǔ)償電平的波動(dòng)。

**2. **提高頻率精度

信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率的精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。

絕對(duì)精度可以使用更精準(zhǔn)、老化率更低的參考時(shí)鐘源來(lái)提高。信號(hào)源都標(biāo)配了一個(gè)普通的參考時(shí)鐘源，另外可以選配高精度的恒溫晶振來(lái)作為參考時(shí)鐘源，如R&S SMBV提供B1和B1H兩種參考時(shí)鐘源的頻率誤差和年老化率和標(biāo)配的相比都大幅度降低。

此外，信號(hào)源的外參考輸入連接到GPS時(shí)鐘或者高穩(wěn)定度原子鐘（銫鐘、銣鐘）也可以大幅度提高頻率絕對(duì)精度。

相對(duì)精度是指多個(gè)信號(hào)（例如多CW信號(hào)）的相對(duì)頻率間隔的精度。假設(shè)兩臺(tái)信號(hào)源分別產(chǎn)生一個(gè)CW信號(hào)，中心頻率1GHz，頻率間隔1MHz。信號(hào)源的內(nèi)部時(shí)鐘的老化率通常是±1×10 ^-6^ /年，那么在這種情況下，1GHz×1×10 ^-6^ = ±1000Hz因此，兩個(gè)CW信號(hào)的頻率間隔實(shí)際上可能是1MHz±(2×1000Hz) =998kHz或1200kHz。為了提高頻率間隔的精度，把兩臺(tái)信號(hào)源的參考時(shí)鐘連在一起，即一臺(tái)信號(hào)源輸出參考時(shí)鐘給另外一臺(tái)。這樣，頻率間隔的精度可提高到1MHz×1×10 ^-6^ =1Hz。

**3. **提高源匹配度

許多DUT的端口匹配不好，因此源匹配至關(guān)重要。信號(hào)源與負(fù)載的阻抗失配會(huì)使輸入到DUT的信號(hào)有效功率改變。DUT通常很少直接連接到信號(hào)源輸出端口，而是通過(guò)射頻線纜和其它器件（如適配器、濾波器）。如果使用適配器進(jìn)行接頭類型轉(zhuǎn)換或者濾波器進(jìn)行諧波抑制，這些器件會(huì)降低源匹配。負(fù)載的反射波會(huì)在源和負(fù)載之間形成多次反射，從而輸入到待測(cè)件功率的不確定度增大了。

為了減小失配的影響，最簡(jiǎn)單的方法就是在信號(hào)源和DUT之間插入一個(gè)固定值衰減器，這會(huì)提高源匹配于兩倍衰減器的值。具體的計(jì)算過(guò)程如下所示：

沒有衰減器插入時(shí)，失配誤差為0.67dB。

當(dāng)插入一個(gè)6dB的衰減器，失配誤差降低為0.17dB。

4. TOI****測(cè)量

當(dāng)把兩個(gè)信號(hào)源輸出的CW信號(hào)通過(guò)外部合路器合路成雙音信號(hào)送入待測(cè)設(shè)備進(jìn)行TOI測(cè)量時(shí)，兩臺(tái)信號(hào)源互相的隔離度是非常重要的。

如果信號(hào)源互相的隔離不好，信號(hào)源會(huì)通過(guò)ALC環(huán)路互調(diào)產(chǎn)生新的互調(diào)產(chǎn)物，從而無(wú)法測(cè)量到DUT的互調(diào)性能。如下圖所示。所以建議在ALC中選擇OFF，關(guān)閉ALC。

因此，每一個(gè)信號(hào)源輸出都希望是良好的50歐姆匹配。當(dāng)使用阻性合路器時(shí)，只有兩個(gè)端口有電阻的合路器不能在三個(gè)端口都提供50歐姆的輸入阻抗匹配。使用每個(gè)端口都有電阻的合路器，而不是只有兩個(gè)端口有電阻的合路器，如下左圖所示。此外，每個(gè)端口都有電阻的合路器在信號(hào)輸入端口還提供6dB的隔離度。或者使用下右圖所示的威爾金森合路器。

**5. **減小諧波失真

進(jìn)行準(zhǔn)確的諧波測(cè)量需要信號(hào)失真度很小的信號(hào)源和頻譜儀。信號(hào)源的諧波和頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍是影響的主要因素，通常信號(hào)源的諧波是瓶頸--一般信號(hào)源的諧波抑制度在-30dB左右。

減小信號(hào)源諧波的傳統(tǒng)方法是使用一個(gè)低通濾波器--通過(guò)選擇截止頻率來(lái)濾除諧波、保留基波。然而，這種方法最大的缺點(diǎn)就是低通濾波器的戒指頻率一般是固定不可調(diào)的，要實(shí)現(xiàn)在不同頻點(diǎn)進(jìn)行濾波不現(xiàn)實(shí)。

為了更有效靈活的減小諧波，就要進(jìn)一步深入分析諧波產(chǎn)生的源頭。從信號(hào)源的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，產(chǎn)生和消除諧波的主要有三部分。而OPU電路是諧波抑制度變差的源頭。諧波主要由OPU產(chǎn)生，隨著OPU輸出功率的增大而增大。

① 頻綜：產(chǎn)生諧波的源頭(VCO, amplifiers in compression, divider stages)

② 諧波濾波器：濾除頻綜的諧波，諧波小于-80 dBc

③ OPU（output uint，功率放大器+ALC環(huán)路+衰減器組 ）：諧波抑制變差，-40 dBc

分析OPU的工作機(jī)制，功率放大器和衰減器組的功能是聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)使得信號(hào)源功率輸出的動(dòng)態(tài)范圍在+30dBm到-145dBm改變。通常情況下，信號(hào)源OPU并沒有工作于固定輸出功率狀態(tài)，而是配合衰減器在一定范圍內(nèi)調(diào)整輸出功率，以得到合適的儀表輸出功率，如下圖所示。

從OPU的工作方式可以找到降低諧波的方法，如下圖所示：

① 設(shè)置輸出功率比想要的輸出功率高10~15dB，那么步進(jìn)衰減器的衰減值會(huì)減小，這時(shí)把衰減器的“Mode”改為“Fixed”從而固定衰減器的衰減值；

② 再減小功率到想到的輸出功率。

以上是手動(dòng)調(diào)整，信號(hào)源在“RF BLOCK”中也提供“Low Distortion”模式來(lái)自動(dòng)完成上述的手動(dòng)調(diào)整過(guò)程，但精細(xì)的調(diào)整仍需要手動(dòng)完成。

雖然降低了諧波，但是帶來(lái)的缺點(diǎn)也是不可忽視的。首先寬帶噪聲惡化，另外電平準(zhǔn)確度也降低。

**6. **提高信噪比

上一節(jié)講到利用OPU和衰減器組的工作特性減小輸出信號(hào)的諧波，那么從另一方面，也可以以增大諧波為代價(jià)，提高信號(hào)的信噪比。

① 設(shè)置輸出功率比想要的輸出功率低10 ~15 dB，那么步進(jìn)衰減器的衰減值會(huì)增加，這時(shí)把衰減器的“Mode”改為“Fixed”從而固定衰減器的衰減值；

② 再增加輸出功率到想到的輸出功率。但諧波功率會(huì)增大。

以上是手動(dòng)調(diào)整，信號(hào)源在“RF BLOCK”中也提供“Low Noise”模式來(lái)自動(dòng)完成上述的手動(dòng)調(diào)整過(guò)程，但精細(xì)的調(diào)整仍需要手動(dòng)完成。

7. EVM與ACLR指標(biāo)的優(yōu)化

矢量信號(hào)源的EVM和ACLR指標(biāo)一般在datasheet中會(huì)給出指標(biāo)值。在R&S高端矢量信號(hào)源SMW200A的datasheet里，以特定的WCDMA test model為測(cè)試信號(hào)給出了EVM和ACLR的最優(yōu)保證值，但其它類型的信號(hào)是否也能達(dá)到這樣的指標(biāo)呢？答案是不一定的，需要用戶自己調(diào)整和優(yōu)化。

影響信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)的EVM和ACLR的主要因素主要有如下三點(diǎn)，EVM與ACLR是相互決定、制約的關(guān)系，不可兼顧。

1. 調(diào)制方式和峰均比
2. 發(fā)射濾波器類型和滾降因子
3. 信號(hào)源自身的非線性特性（如基帶信號(hào)畸變或射頻發(fā)射功率）

與WCDMA和CDMA2000在協(xié)議中規(guī)定了使用何種濾波器不同，LTE標(biāo)準(zhǔn)并沒有在協(xié)議中指定一個(gè)特定的發(fā)射濾波器類型，而是允許根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景使用不同的濾波器來(lái)達(dá)到更優(yōu)的EVM還是更優(yōu)的ALCR。

在R&S矢量信號(hào)源SMW200A中，LTE選件提供了三種不同的濾波器以滿足不同的優(yōu)化目標(biāo)。

LTE將OFDM符號(hào)組裝成子幀，最終形成一幀LTE信號(hào)。但在前后兩個(gè)OFDM信號(hào)之間存在相位不連續(xù)的情況，而相位不連續(xù)會(huì)出現(xiàn)頻譜泄漏，會(huì)影響信號(hào)的ACLR特性。R&S信號(hào)源LTE選件提供時(shí)域窗功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑以優(yōu)化ACLR特性。但過(guò)度的時(shí)域窗平滑會(huì)導(dǎo)致OFDM符號(hào)的EVM惡化，以犧牲EVM為代價(jià)的。

下面是對(duì)這三種優(yōu)化方式EVM和ACLR對(duì)比（LTE TM1.1_10MHz）。

此外，SMW200A的DAC和IQ調(diào)制器還提供優(yōu)化EVM的“High Quality”模式，通過(guò)內(nèi)置的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償基帶IQ信號(hào)的幅度、時(shí)延和正交性等參數(shù)不理想特性。

**8. **減小衰減器切換的磨損

下面來(lái)談?wù)勑盘?hào)源在產(chǎn)線測(cè)試中的優(yōu)化。在此之前，需要介紹一下信號(hào)源的衰減器組的實(shí)現(xiàn)方式，通常是機(jī)械衰減器或電子衰減器。

機(jī)械衰減器的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)：

• 高衰減范圍
• 在大于12.75GHz以上一般只能用機(jī)械衰減器
• 低溫度漂移
• 低插入損耗
• 低VSWR
• 較長(zhǎng)的切換時(shí)間(> 20 ms)
• 長(zhǎng)時(shí)間使用磨損較為嚴(yán)重
• 做功率掃描衰減器切換時(shí)噪聲較大

另外一種電子衰減器的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)：

• 高衰減范圍
• 較短的切換時(shí)間
• 幾乎無(wú)切換磨損
• 工作頻段較低
• 低輸出功率
• GaAs工藝較高的溫度漂移

在產(chǎn)線進(jìn)行發(fā)射機(jī)自動(dòng)化功率測(cè)試時(shí)，通常上位機(jī)會(huì)控制待測(cè)件和激勵(lì)信號(hào)源會(huì)進(jìn)行功率連續(xù)掃描調(diào)整到額定發(fā)射功率。信號(hào)源的輸出信號(hào)在機(jī)械或電子衰減器切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)閃斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致待測(cè)件輸出信號(hào)的間斷。

為了避免信號(hào)的間斷，可把“RF BLOCK”中衰減器的模式由“Auto”切換為“Fixed”，即關(guān)閉衰減器的切換，此時(shí)信號(hào)源能輸出的功率范圍僅由放大器調(diào)節(jié)而被局限在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，如下所示。但此時(shí)，信號(hào)的功率變化不會(huì)引起衰減器切換從而避免信號(hào)閃斷和減小衰減器的磨損。

此外，還可以將“RF OFF Mode”從“Full Attenuated”切換為“Unchanged”模式，這樣在關(guān)斷射頻信號(hào)的時(shí)候衰減器保持不變，不會(huì)切換為最大衰減值，從而減小了衰減器的磨損。