一種矢量信號(hào)分析儀計(jì)量方法 - 全文

1.當(dāng)前矢量信號(hào)分析儀計(jì)量校準(zhǔn)方法概述

目前常用的信號(hào)分析儀(VSA)計(jì)量方法采用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號(hào)源來進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)是簡單方便易于操作，缺點(diǎn)是無法保證“標(biāo)準(zhǔn)源”的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。

國際上的計(jì)量機(jī)構(gòu)，如德國PTB、英國NPL、美國NIST采用高速采樣示波器和多載波信號(hào)源，通過同步觸發(fā)裝置進(jìn)行時(shí)間和相位同步并進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，示波器的采樣值，經(jīng)過軟件程序計(jì)算后，作為幅度相位參數(shù)基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析儀參數(shù)的計(jì)量校準(zhǔn)。

多載波信號(hào)源+示波器+同步器優(yōu)點(diǎn)是將矢量參數(shù)溯源到功率電平、時(shí)間和頻率上，缺點(diǎn)是示波器頻率范圍受限，不確定度較大，同步延時(shí)在微波測(cè)量時(shí)帶來較大的相位誤差，系統(tǒng)復(fù)雜，引入更多的不確定度。

2.本文提出的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)

本文提出連續(xù)波頻率偏移法測(cè)量信號(hào)分析儀的剩余誤差，基于本方法，加入模擬調(diào)制測(cè)量信號(hào)分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確度。

a.連續(xù)波頻率偏移法：計(jì)量信號(hào)分析儀的載波頻率誤差、功率誤差、矢量信號(hào)分析剩余誤差（表征信號(hào)分析儀解調(diào)各項(xiàng)指標(biāo)的本底噪聲）；

b.連續(xù)波頻率偏移附加模擬調(diào)制法：矢量信號(hào)分析儀的誤差矢量幅度EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定

c.多載波法：矢量信號(hào)分析儀的I/Q偏移（載波泄漏）的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定

3.量值定義

3.1.?? I/Q信號(hào)

矢量是一個(gè)圖解工具，就是在直角坐標(biāo)系中用一個(gè)旋轉(zhuǎn)箭頭描述信號(hào)，箭頭的長度代表信號(hào)峰值幅度，箭頭與橫軸的正半軸夾角為相位，箭頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，每秒鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為頻率。

將信號(hào)進(jìn)行矢量分解，即分解為峰值幅度相同、頻率相同但相位相差90度的兩個(gè)分量。通常采用一個(gè)余弦信號(hào)和一個(gè)正弦信號(hào)描述這兩個(gè)信號(hào)。其中余弦分量為同相分量I，正弦分量為正交分量Q。

3.2.?? 誤差矢量幅度（EVM）

誤差矢量(EV)是實(shí)際測(cè)量信號(hào)（m）與理想無誤差參考信號(hào)(R)的矢量差。誤差矢量幅度通常表述為其與參考信號(hào)幅度的百分比。

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3.3.?? 幅度誤差

實(shí)際測(cè)量信號(hào)（m）與理想無誤差參考信號(hào)(R)的幅度差。幅度誤差通常表述為其與參考信號(hào)幅度的百分比。

3.4.?? 相位誤差

實(shí)際測(cè)量信號(hào)（m）與理想無誤差參考信號(hào)(R)的相位差。

3.5.?? 原點(diǎn)偏移

實(shí)際測(cè)量信號(hào)原點(diǎn)與理想無誤差參考信號(hào)原點(diǎn)之間矢量差的幅度。通常表述為其與參考信號(hào)幅度的比值（dB）。

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3.6.?? I/Q不平衡

I/Q不平衡包括幅度(增益) 不平衡和相位（正交）不平衡。

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3.7.?? 載波頻率誤差

實(shí)際測(cè)量信號(hào)頻率與理想無誤差參考信號(hào)頻率差。

3.8.?? 平均功率

實(shí)際測(cè)量信號(hào)的平均功率。

4.連續(xù)波頻率偏移法(CWO)

4.1.?? 適用范圍

本方法用來測(cè)量和評(píng)價(jià)矢量信號(hào)分析儀的解調(diào)分析參數(shù)的剩余固有誤差(VSA噪聲)。

適用于以下數(shù)字調(diào)制方式：MSK, PSK, QAM；

適用于頻譜及矢量信號(hào)分析儀的以下參數(shù)的計(jì)量校準(zhǔn)：

頻率誤差，功率電平誤差，剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點(diǎn)偏移（載波泄漏），剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡

4.2.?? 計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備

計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備是合適頻率范圍的射頻微波信號(hào)發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率。

4.3.?? 連續(xù)波頻率偏移法(CWO)原理

目標(biāo)是產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)矢量信號(hào)分析儀(VSA)的響應(yīng)數(shù)字解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)，或其中一部分星座點(diǎn)。根據(jù)I/Q矢量解調(diào)原理，通過設(shè)置校準(zhǔn)信號(hào)與VSA中心頻率差對(duì)應(yīng)的I/Q相位差，得到準(zhǔn)確的I/Q矢量圖和星座點(diǎn)。

分析數(shù)字調(diào)制方式MSK, PSK 和QAM，發(fā)現(xiàn)其矢量星座圖中包含N個(gè)原點(diǎn)對(duì)稱的星座點(diǎn)，各星座點(diǎn)幅度相同，我們把這些星座點(diǎn)稱為目標(biāo)星座點(diǎn)。

經(jīng)過頻率和功率電平溯源的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的校準(zhǔn)信號(hào)，即輸入VSA的射頻信號(hào)為連續(xù)正弦波，其頻率與VSA的中心頻率具有頻率差Δf。

當(dāng)ΔΦ等于目標(biāo)星座點(diǎn)相鄰點(diǎn)相位差，Δt=1/fs（fs是VSA的采樣符號(hào)速率）時(shí)，在I/Q解調(diào)矢量圖上，此時(shí)的理論I/Q曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)圓：2·π·Δf·Δt，由此產(chǎn)生的校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)應(yīng)這些目標(biāo)星座點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)理想值。

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調(diào)制方式?原點(diǎn)對(duì)稱星座點(diǎn)相位差?偏移頻率?
BPSK?π?1/2·fs?
QPSK?π/2?1/4·fs?
8PSK?π/4?1/8·fs?
3/8Pi-8PSK?3π/8?3/16·fs?
DQPSK?π/2?1/4·fs?
D8PSK?3π/8?3/16·fs?
Pi/4 DQPSK?π/4?1/8·fs?
OQPSK?π?1/2·fs?
Pi/4 QPSK?π/4?1/8·fs?
QAM?π/2?1/4·fs?

4.4.?? 測(cè)試校準(zhǔn)方法

信號(hào)發(fā)生器的頻率和功率電平為校準(zhǔn)溯源參數(shù)，頻率參數(shù)：采用信號(hào)發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，或者采用頻率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)；功率電平參數(shù)：采用功率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)。

被測(cè)VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號(hào)速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，對(duì)應(yīng)濾波器可不設(shè)（矩形），或?yàn)樯嘞?RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號(hào)發(fā)生器與VSA的射頻端口，設(shè)置合適的功率電平，它們的頻率偏差按照上表對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式設(shè)置。

讀取VSA的頻率誤差、功率電平誤差及各項(xiàng)解調(diào)參數(shù)剩余（固有）誤差，如剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點(diǎn)偏移（載波泄漏），剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡。

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5.連續(xù)波頻率偏移附加模擬調(diào)制（CWO-MOD）

5.1.?? 適用范圍

矢量信號(hào)分析儀的數(shù)字矢量解調(diào)參數(shù)的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定：

· EVM、幅度誤差和相位誤差。

5.2.?? 計(jì)量校準(zhǔn)裝置

計(jì)量校準(zhǔn)裝置是具有模擬調(diào)制功能（AM,FM,PM）的射頻微波信號(hào)發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率、模擬調(diào)制度。

5.3.?? 測(cè)試原理

在連續(xù)波頻率偏移法的基礎(chǔ)上，附加可溯源的模擬調(diào)制，模擬調(diào)制的量值與數(shù)字矢量調(diào)制的量值具有準(zhǔn)確并唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過連續(xù)波頻率偏移法，在VSA的目標(biāo)星座點(diǎn)處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，通過調(diào)幅預(yù)設(shè)幅度失真，通過調(diào)頻或調(diào)相預(yù)設(shè)相位失真。以上預(yù)設(shè)失真值作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，從而測(cè)量和檢定矢量信號(hào)分析儀的數(shù)字矢量解調(diào)EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準(zhǔn)確度。

5.4.?? 測(cè)試校準(zhǔn)方法

信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)溯源參數(shù)包括，頻率和功率電平，模擬調(diào)制頻率和調(diào)制度。

· 頻率參數(shù)：采用信號(hào)發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，或者采用頻率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)；
· 功率電平參數(shù)：采用功率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)；
· 模擬調(diào)制參數(shù)：調(diào)制度分析儀或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)。

被測(cè)VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號(hào)速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，其數(shù)值遠(yuǎn)大于信號(hào)發(fā)生器模擬調(diào)制頻率，測(cè)量點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于符號(hào)率與調(diào)制頻率的比值。對(duì)應(yīng)濾波器可不設(shè)（矩形），或?yàn)樯嘞?RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號(hào)發(fā)生器與VSA的射頻端口，設(shè)置合適的功率電平，它們的頻率偏差Δf按照上表對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式設(shè)置。

設(shè)置調(diào)幅(AM)調(diào)制方式，調(diào)制頻率遠(yuǎn)小于符號(hào)率，預(yù)設(shè)調(diào)制度作為校準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)值，以調(diào)制度分析儀或測(cè)量接收機(jī)的AM調(diào)制度讀數(shù)為基準(zhǔn)(am%)，同時(shí)讀取剩余調(diào)相PM調(diào)制度(pm°)。

讀取VSA的幅度誤差Emag%，其峰值(Peak)對(duì)應(yīng)am%的峰值(PK)，均方根值(RMS)對(duì)應(yīng)am%的均方根值(RMS)。

幅度誤差測(cè)量準(zhǔn)確度：Emag% - am%。

讀取VSA的誤差矢量幅度EVM%，理論參考由AM調(diào)制度am%和剩余pm構(gòu)成

· AM校準(zhǔn)信號(hào)的AM調(diào)制度，對(duì)應(yīng)幅度誤差設(shè)定值

EVM_am ~ am%

· AM校準(zhǔn)信號(hào)的剩余調(diào)相為pm°，對(duì)應(yīng)誤差

EVM_pm=2·sin(pm·π/360)*100%

· 參考均方根值，均方根值EVM測(cè)量準(zhǔn)確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_am = am%

設(shè)置調(diào)相(PM)調(diào)制方式，調(diào)制頻率遠(yuǎn)小于符號(hào)率，預(yù)設(shè)調(diào)制度作為校準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)值，以調(diào)制度分析儀或測(cè)量接收機(jī)的PM調(diào)制度讀數(shù)(pm°)為基準(zhǔn)，同時(shí)讀取剩余調(diào)幅am%。

· PM校準(zhǔn)信號(hào)的PM調(diào)制度，對(duì)應(yīng)相位誤差設(shè)定值

EVM_pm ~2·sin(pm·π/360)*100%

· AM校準(zhǔn)信號(hào)的剩余調(diào)相為am，對(duì)應(yīng)誤差

EVM_am ~ am%

· 參考均方根值，均方根值EVM測(cè)量準(zhǔn)確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_pm

6.連續(xù)波頻率偏移多載波法

6.1.?? 適用范圍

矢量信號(hào)分析儀的原點(diǎn)偏移（本振泄漏）量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定：

6.2.?? 計(jì)量校準(zhǔn)裝置

計(jì)量校準(zhǔn)裝置是多載波信號(hào)發(fā)生器或并供參考的獨(dú)立的兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率。

6.3.?? 測(cè)試原理和方法

在連續(xù)波頻率偏移法的基礎(chǔ)上，在VSA的目標(biāo)星座點(diǎn)處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，在VSA中心頻點(diǎn)輸入另一個(gè)連續(xù)波信號(hào)，代表本振泄漏電平，泄漏電平與參考信號(hào)電平之比，即原點(diǎn)偏移。

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率和電平的信號(hào)，輸入VSA。

6.4.?? 測(cè)試校準(zhǔn)方法

信號(hào)發(fā)生器的頻率和功率電平為校準(zhǔn)溯源參數(shù)，頻率參數(shù)：采用信號(hào)發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，或者采用頻率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)；功率電平參數(shù)：采用功率計(jì)或測(cè)量接收機(jī)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)。

被測(cè)VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號(hào)速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，對(duì)應(yīng)濾波器可不設(shè)（矩形），或?yàn)樯嘞?RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號(hào)發(fā)生器與VSA的射頻端口，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率和電平的信號(hào)，輸入VSA。通過連續(xù)波頻率偏移法，設(shè)置第一載波頻率，在VSA的目標(biāo)星座點(diǎn)處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)；在VSA中心頻點(diǎn)處，輸入第二載波信號(hào)，其電平小于第一載波。兩個(gè)電平差值對(duì)應(yīng)原點(diǎn)偏移。

7.總結(jié)

以目前常用的信號(hào)分析儀（VSA）的測(cè)試情況來看，由于計(jì)量信號(hào)是單載波連續(xù)波，儀器在VSA解調(diào)測(cè)試時(shí)通常會(huì)發(fā)出警告，提示本信號(hào)并非數(shù)字調(diào)制信號(hào)，但是不影響EVM以及頻率、幅度和相位誤差的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)本文的連續(xù)波頻率偏移法，測(cè)量信號(hào)分析儀的MSK、PSK和QAM解調(diào)的剩余誤差是可行的。另外，利用可溯源的模擬調(diào)制，測(cè)量信號(hào)分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確度。