了解RF儀器規(guī)格第一部 - 全文

RF 儀器有許多規(guī)格代表了儀器效能。 隨著無(wú)線技術(shù)不斷變化，設(shè)計(jì)RF 組件與設(shè)備可能會(huì)成為工程師的例行工作，然而工程師在這方面的經(jīng)驗(yàn)可能并不完整。本文共分為三部分，有助于掌握基礎(chǔ)與進(jìn)階的RF 儀器規(guī)格， 其中包含一般的發(fā)生器與分析儀規(guī)格。 第一部說(shuō)明了頻率范圍、瞬間帶寬、微調(diào)速度、相位噪聲、電壓駐波比；第二部與第三部則是說(shuō)明1 dB 壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)截取、動(dòng)態(tài)范圍與分辨率帶寬。

1. 簡(jiǎn)介

本文說(shuō)明下列規(guī)格，同時(shí)適用于RF 產(chǎn)生與分析作業(yè)。
· 頻率范圍
· 瞬間(實(shí)時(shí)) 帶寬
· 微調(diào)速度
· 相位噪聲
· 電壓駐波比(VSWR)

注意： 所有的RF 設(shè)備與RF 儀器一樣，均受限于相同的設(shè)計(jì)規(guī)則。

2. 頻率范圍

頻率范圍 (Frequency Range) 是RF 儀器的重要特性之一。 比如說(shuō)，WiFi 測(cè)試解決方案所需的運(yùn)作頻率高達(dá)2.5 GHz。 一樣的道理，如要分析運(yùn)作頻率為900 MHz 的組件，采用此組件的儀器必須在相同的頻率范圍內(nèi)運(yùn)作才行。混合器、輸入濾波器、局部震蕩器(LO) 等組件都會(huì)影響RF 儀器的最大頻率范圍。不過(guò)主要是通過(guò)調(diào)整LO，才能將儀器設(shè)定為在特定的頻率內(nèi)運(yùn)作。 有些儀器會(huì)采用多種系列的LO，但是簡(jiǎn)化過(guò)的儀器方塊圖卻只使用一個(gè)LO (如圖2 所示)。

LO 搭配了RF 輸入，后者可以將RF 信號(hào)降轉(zhuǎn)換為中頻(Intermediate Frequency，IF) 信號(hào)。 相同的頻率合成技術(shù)也適用于RF 信號(hào)發(fā)生器。使用電壓控制震蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO) 或釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG) 即可完成頻率合成作業(yè)。傳統(tǒng)的作法是RF 儀器會(huì)采用YIG 架構(gòu)以產(chǎn)生LO。YIG 是一種電流控制震蕩器(Current Controlled Oscillator)，其特色是密集的相位噪聲與大頻率范圍(高達(dá)20 GHz 或以上)。 不過(guò)YIG 架構(gòu)的儀器不但耗電量高，也可能相當(dāng)昂貴。 此外，相較于其他方法，調(diào)整YIG 的頻率或許得花更多時(shí)間。因此，近期采用VCO 的LO 架構(gòu)變得更普遍。VCO 的頻率范圍比YIG 更小，但微調(diào)速度卻快很多。

3. 瞬間(實(shí)時(shí)) 帶寬

瞬間帶寬 (Instantaneous Frequency) 也稱(chēng)為實(shí)時(shí)帶寬 (Real-Time Frequency)，代表了某儀器產(chǎn)生或擷取的最高連續(xù)RF 帶寬。比如說(shuō)，向量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的中央頻率可能是2.45 GHz，但是該儀器的瞬間帶寬(也稱(chēng)為信號(hào)帶寬) 可能只有20 MHz。 信號(hào)帶寬代表此設(shè)備可連續(xù)擷取20 MHz 的RF 頻譜，不必重新調(diào)整LO。

瞬間帶寬主要取決于該儀器的RF 模擬前端設(shè)備。如要深入了解瞬間帶寬，可以先掌握RF 儀器的基本架構(gòu)。 目前的技術(shù)無(wú)法數(shù)字化Gigahertz 范圍內(nèi)的每個(gè)信號(hào)。 所以RF 儀器會(huì)采用一系列的LO、混合器、濾波器等，才能將RF 信號(hào)導(dǎo)入IF 或基頻頻率范圍。 圖2 為向量信號(hào)分析儀的簡(jiǎn)要方塊圖。

圖2. 濾波器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC) 決定了瞬間帶寬

如圖2 所示，向量信號(hào)分析儀將一部分的RF 頻譜降轉(zhuǎn)換至ADC 可辨識(shí)的IF。RF 儀器的瞬間帶寬主要取決于下列兩個(gè)要素：
· 該儀器采用的濾波器
· ADC 的取樣率與帶寬

儀器的瞬間帶寬是否重要，主要取決于應(yīng)用本身。比如說(shuō)，如要產(chǎn)生窄頻的FM 信號(hào)，只需要200 KHz 的瞬間帶寬即可。但如果要產(chǎn)生并分析寬帶信號(hào)，例如IEEE Standard 802.11g (WiFi)，那就至少需要20 MHz 的瞬間帶寬。 如果瞬間帶寬比重點(diǎn)信號(hào)本身大很多，就可以大幅提高頻譜屏蔽測(cè)試等應(yīng)用的速度。 如果儀器的瞬間帶寬不夠頻譜屏蔽測(cè)試作業(yè)使用，就必須重新調(diào)整儀器，才能擷取區(qū)段內(nèi)的頻率信息。

4. 微調(diào)速度

微調(diào)速度 (Tuning Speed) 是指LO 在特定的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)變更中央頻率所需的時(shí)間。 將震蕩器調(diào)整至不同頻率的時(shí)候，LO 的趨穩(wěn)時(shí)間即代表了微調(diào)速度。就一般系統(tǒng)而言，如要調(diào)整頻率，LO 通常會(huì)稍微超過(guò)所需的頻率，并且在特定時(shí)間內(nèi)趨穩(wěn)至所需的頻率。 基本上，微調(diào)速度是一種頻率間隔(Frequency Step) 大小功能。 頻率間隔越大，LO 調(diào)整至特定范圍所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。表1 為YIG 架構(gòu)LO 的趨穩(wěn)時(shí)間。

表1. YIG 架構(gòu)LO 的微調(diào)速度

對(duì)于802.11g 收發(fā)器自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試等應(yīng)用來(lái)說(shuō)，微調(diào)速度可說(shuō)是非常重要的規(guī)格。 由于802.11g 標(biāo)準(zhǔn)明訂了設(shè)備必須在2.4 GHz ~ 2.48 GHz 之間于14 個(gè)通道之一運(yùn)作，所以RF 儀器必須用來(lái)測(cè)試多種頻率內(nèi)的設(shè)備運(yùn)作狀況。測(cè)試信號(hào)的掃頻速度越快，測(cè)試接收器的速度也就越快。

5. 相位噪聲

相位噪聲 (Phase Noise) 是指RF 儀器的短期頻率穩(wěn)定性。 相位噪聲是由小型的瞬間LO 相位抖動(dòng)而造成的，會(huì)在鄰近載波的頻率內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)功率。

有個(gè)簡(jiǎn)單的方式可以說(shuō)明相位噪聲的影響，那就是分析頻域內(nèi)的單一音調(diào)。圖3 為兩個(gè)模擬載波：一個(gè)是理想載波，一個(gè)具有相位噪聲。

圖3. 理想載波vs. 非理想載波

圖3 左側(cè)為單一音調(diào)產(chǎn)生，理論上會(huì)造成單一功率峰值，集中在非常精確的頻率范圍內(nèi)。 右側(cè)卻很不一樣，其中的相位噪聲(主要是時(shí)域抖動(dòng)) 會(huì)使信號(hào)以漸歇性的方式分布在頻域內(nèi)。

只要量測(cè)偏離所需載波的多項(xiàng)信號(hào)振幅，即可取得相位噪聲。如圖3 右側(cè)所示，我們量測(cè)了誤差值為1 KHz 的–95 dBc 相位噪聲，以及誤差值為10 KHz 的–146 dBc 相位噪聲。

RF 儀器相位噪聲的重要性取決于應(yīng)用本身。 如要偵測(cè)接近特定重要信號(hào)的低階遮蔽信號(hào)，就會(huì)需要密集的相位噪聲。 使用具有大量相位噪聲的LO 時(shí)，相位噪聲就會(huì)在之后的IF 信號(hào)中變大。 圖4 為L(zhǎng)O 相位噪聲轉(zhuǎn)換至后續(xù)IF 信號(hào)的相位噪聲。

圖4. LO 相位噪聲產(chǎn)生了IF 相位噪聲

就此應(yīng)用而言，這兩個(gè)信號(hào)的相位噪聲會(huì)彼此干擾，讓工程師難以辨識(shí)特定的遮蔽信號(hào)特性。

此外，也可通過(guò)星座圖來(lái)呈現(xiàn)信號(hào)解調(diào)變，以便了解相位噪聲的影響。 具有大量相位噪聲的信號(hào)會(huì)在星座圖中呈現(xiàn)出規(guī)律旋轉(zhuǎn)的狀況。圖5 比較了理想的4 相位偏移調(diào)變(4-Phase-Shift Keying，4-PSK) 信號(hào)與四個(gè)符號(hào)(以黑點(diǎn)表示)，并且從左圖傳輸至右圖中具有大量相位噪聲的信號(hào)。

圖5. 出現(xiàn)相位噪聲時(shí)，星座圖呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀況

相位噪聲會(huì)降低RF 儀器的錯(cuò)誤向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM) 效能，進(jìn)而影響實(shí)際的量測(cè)作業(yè)。 就位錯(cuò)誤率(Bit Error Rate，BER) 測(cè)試而言，相位噪聲會(huì)增加錯(cuò)誤率。

6. 電壓駐波比(VSWR)

電壓駐波比 (Voltage Standing Wave Ratio，VSWR) 與傳輸線(Transmission Line) 理論有密切的關(guān)聯(lián)，而且隨著儀器頻率范圍擴(kuò)大，也變得越來(lái)越重要。 大致上來(lái)說(shuō)，VSWR 是指沿著傳輸線出現(xiàn)的阻抗失配(Impedance Mismatch) 而造成的信號(hào)反射狀況。

就理想狀況而言，RF 儀器的阻抗(通常是50 Ω) 會(huì)符合每個(gè)接線的阻抗與待測(cè)設(shè)備的輸入阻抗。然而，不對(duì)稱(chēng)信號(hào)軌跡與零件/組件差異等減損狀況，都會(huì)改變儀器阻抗的特性。 因此，信號(hào)反射會(huì)在RF 傳輸時(shí)出現(xiàn)，并且影響信號(hào)的振幅與相位準(zhǔn)確度。

信號(hào)反射振幅取決于所使用的材質(zhì)屬性與頻率范圍。傳輸線的阻抗失配會(huì)直接造成VSWR，而且在高頻率范圍內(nèi)還會(huì)變得更嚴(yán)重。 舉例來(lái)說(shuō)，如果VSWR 是1:1，代表系統(tǒng)完全相符。 相反的，如果VSWR 是1.1:1，代表高達(dá)10% 的信號(hào)振幅在傳輸線內(nèi)出現(xiàn)了反射狀況。

因?yàn)閂SWR 也取決于材質(zhì)屬性，可以根據(jù)反射系數(shù) Γ 計(jì)算而得，方程式如下：

VSWR 對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響非常大，因?yàn)闀?huì)需要調(diào)整信號(hào)的相位或振幅。 此外，所產(chǎn)生的信號(hào)振幅可能會(huì)增加也可能會(huì)減少，視VSWR 反射相位而定。 圖6 說(shuō)明了VSWR 反射影響信號(hào)振幅的方式。

圖6. VSWR 反射會(huì)影響信號(hào)振幅

原始信號(hào)的反相(Out-of-Phase) 反射會(huì)引發(fā)些微的抵銷(xiāo)效應(yīng)。 如圖6 所示，隨之而來(lái)的復(fù)合信號(hào)振幅已稍微減少。就大多數(shù)情況下，使用內(nèi)接或外接衰減器后可降低VSWR。 因此，通過(guò)內(nèi)部衰減來(lái)增加儀器參考準(zhǔn)位，即可減少VSWR。

VSWR 規(guī)格非常重要，因?yàn)檫@會(huì)大幅影響儀器的振幅準(zhǔn)確度。RF 濾波器特性測(cè)試等應(yīng)用所需的振幅準(zhǔn)確度越高越好。RF 濾波器的特性是根據(jù)激發(fā)信號(hào)頻率而量測(cè)到的振幅減損，所以激發(fā)信號(hào)與分析儀器的振幅準(zhǔn)確度都很重要。

7. 結(jié)論

了解RF 儀器規(guī)格：第一部提供了RF 相關(guān)規(guī)格的基本信息。 請(qǐng)記得，其中許多規(guī)格也適用于所有的RF 設(shè)備，不只是儀器而已。所以設(shè)計(jì)流程中可能會(huì)接觸到相同的規(guī)格。 本系列第二篇文章說(shuō)明了用來(lái)測(cè)試RF 發(fā)生器特性的規(guī)格，包含頻率容錯(cuò)、線性度、功率輸出、1 dB 壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)截取等項(xiàng)目。