文章目錄
- 前言
- 1、輸出功率 Output Power
- 3、帶内功率 Power in a Band
- 4. 無用信号 Unwanted Signals
- 5. 相噪 Phase Noise
- 6. 調制品質 Modulation Quality
- 總結
前言
射頻發射機是現代通信的重要組成部分。射頻發射機由核心射頻元件設計群組裝而成，具有多種不同的形式和應用。我們經常想到無線通信中的射頻發射機，但這一概念同樣适用于有線應用，如有線電視。手機、雷達、軍事通信、航空電子裝置、無線區域網路、數據機和信号發生器隻是使用一個或多個射頻發射機的系統的幾個例子。
工作參數、成本和設計考慮因素影響射頻發射機性能，進而影響射頻信号品質。是以，確定射頻發射機符合規範對于高品質射頻通信至關重要。在各種射頻發射機的實作中，有一些标準測試對于確定正确操作至關重要。本文探讨了射頻發射機常用的五種基本測量方法。
原文是NI公司的白皮書，參考連接配接 RF Transmitter Measurements Every Engineer Should Know
1、輸出功率 Output Power
最常見的射頻發射機測量是射頻功率。在執行任何其他測試之前，工程師想知道，“我的DUT是否輸出功率？它是否在指定參數内輸出功率？”測試射頻功率回答了這些問題，并且是系統健康的第一個訓示。
圖1 通用RF發射機的方框圖顯示了經過信号處理處理的基帶資訊，然後在最終轉換為RF進行傳輸之前進行調制并轉換為中頻。
射頻功率測量有多種形式，具體取決于射頻發射機的設計和應用。RF輸出可以是簡單的連續波（CW）信号、脈沖、模拟調制信号或複雜的數字調制傳輸，例如IQ或正交頻分複用（OFDM）波形。在各種射頻功率測量中，連續波音調的穩态射頻功率可能是最簡單的。峰值功率，如射頻脈沖或IQ波形的超調，是某段時間内的最大值。功率測量可以在一個時間段内平均，例如在一系列射頻脈沖上，進而産生平均功率。射頻功率可以內建在一個頻帶上，就像許多移動通信信号一樣。數字調制信号在本質上傾向于類似于噪聲，并且通常具有指定的平均和峰值功率值。
射頻功率計是測量射頻功率的一種精确且經濟高效的儀器。由于它是一種标量儀器，無法測量相位，是以應注意盡量減少阻抗失配，因為阻抗失配的反射會與被測信号同相或異相，進而導緻更大的幅度不确定性。功率計是寬帶的，不具有頻率選擇性，是以任何不需要的信号都會被平均化到所需的測量值中。大多數功率計的動态範圍為50至70 dB。高端功率計能夠進行專業測量，如跨頻帶的內建功率和脈沖射頻功率觸發。由于這些原因，如果射頻環境得到很好的控制，功率計是一個很好的選擇。
另一種常用于測量射頻功率的儀器是頻譜分析儀。有了這些更複雜的射頻儀器，工程師可以測量整個頻率範圍内的各個光譜成分。絕對功率測量精度并不突出，通常為+0.5至+2.0 dB。然而，相對功率精度（或振幅線性）非常好。是以，例如，使用信号發生器的已知功率電平在給定頻率下進行校準，可獲得在大于100 dB的動态範圍内準确的校正功率測量值。
高性能射頻儀器，包括矢量信号分析儀和矢量網絡分析儀，可以測量幅度和相位，提供更高的誤差校正和測量精度。除了前面提到的射頻功率測量外，還可以對脈沖和其他複雜的射頻波形進行特殊測量。這包括脈沖分析，它測量射頻脈沖包絡的功率，以及射頻脈沖的平均功率和峰值功率。複雜的IQ波形更像是以噪聲的方式進行測量，測量值包括峰均比和互補累積分布函數（CCDF）。
圖2。使用矢量信号分析儀測量單個連續波信号、跨頻帶內建的寬帶信号和脈沖包絡信号的射頻功率
3、帶内功率 Power in a Band
為了提高頻譜效率并允許多個使用者使用給定的頻譜，RF發射機使用各種調制技術來編碼和發送資訊。現代通信配置設定特定數量的頻譜，通常稱為“信道”。信道通常由監管機構定義，如美國聯邦通信委員會（FCC）。使用者通常關心與其指定頻譜有關的兩個測量。一種測量是指定信道的綜合功率，通常稱為占用帶寬（OBW）、帶内功率或信道功率。在這裡，從指定的開始頻率到指定的停止頻率，功率被整合到整個通道中。
圖3 ACP測試顯示占用信道和四個未占用相鄰信道的指定功率和頻率限制。
除了測量信道中的功率外，還需要確定傳輸不會洩漏到配置設定給其他使用者的信道中，特别是配置設定信道兩側的信道。除技術缺陷外，這還可能導緻監管機構處以昂貴的罰款。典型的測試方法是用測試信号填充指定（占用）頻帶，并測量與占用信道相鄰的信道中的內建功率與頻率。該測試有很多名稱，但通常稱為相鄰信道功率（ACP）測量。控制傳輸的标準規定了準确頻率、內建功率規格和測試方法。
4. 無用信号 Unwanted Signals
有了一個完美的射頻發射機，傳輸的唯一信号就是感興趣的信号。然而，不需要的信号是現實世界發射機設計權衡的結果。成本、性能和其他要求影響最終産品。這些不需要的信号分為三大類：諧波、互調和雜散（雜散）。
主載波信号的整數倍信号稱為諧波相關信号。這些信号的主要來源是發射機中使用的放大器。這些信号的振幅可能足夠低，是以被認為不重要。或者，它們的頻率可能足夠遠，可以通過濾波來降低。諧波很容易檢測，因為它們的頻率是可預測的。例如，可以在2ghz、3ghz等處找到1ghz處的信号的諧波含量。
互調産物是由發射機部件中的非線性互相作用産生的信号。混頻器是具有非線性行為的電路元件的一個示例。混頻器輸出兩個輸入信号頻率的和和和差。在射頻發射機中，輸出經過濾波，以在稱為上轉換的過程中隔離較高的頻率和。這樣，通過一個或多個上轉換級，低頻基帶資訊可以被轉換為最終RF頻率以進行傳輸。不幸的是，混頻器還提供大量其他信号，包括輸入信号及其諧波的組合，以及輸入信号到輸出的洩漏。互調産物的頻率和振幅随輸入信号的變化而變化。通過仔細分析，可以預測互調産物，進而使其影響最小化。
術語雜散或雜散通常用于任何不需要的信号。在本文的上下文中，它指的是上面未讨論的任何不需要的信号。雜散可以在任何頻率和功率水準下發生，來源包括洩漏和電磁幹擾。虛假信号的不可預測性使其檢測和消除更具挑戰性。經驗和分析方法以及良好的設計實踐是将其影響降至最低的最佳工具。
頻譜或矢量信号分析儀具有良好的線性度和相對功率精度，是識别不需要的信号的頻率和相對功率的良好儀器。另一方面，功率計通常不使用，因為它們是寬帶的，動态範圍有限。在射頻發射機中，不需要的信号表示未進入所需傳輸的射頻功率浪費。這會導緻各種後果，包括效率降低、過熱、電池壽命縮短和測試産量降低。最佳行動計劃是在設計階段進行适當的分析，以識别和緩解來自變送器的不必要信号。
圖4 矢量信号分析儀顯示屏顯示所需的RF輸出信号（用黃色标記辨別），以及其他諧波、互調和雜散内容。
5. 相噪 Phase Noise
也許射頻發射機最具競争力的規格之一是相位噪聲。射頻發射機和接收機通常由幾個頻率轉換級組成。回到圖1，這是為了将信号從其原始基帶頻率上轉換為最終射頻傳輸頻率。這通常是通過使用一系列混頻器來實作的，這些混頻器将輸入頻率與本地振蕩器（LO）頻率相加。
圖5 用矢量信号分析儀測量的相位噪聲圖顯示了水準軸上載波的頻率偏移和垂直軸上的相對振幅。紅色曲線圖表示原始資料，白色軌迹表示平均值。注意1.0和10 MHz偏移之間的低電平雜散信号（紅色）。
本振的頻率穩定性在高品質射頻通信和傳輸系統中至關重要。任何短期頻率不穩定都會導緻性能下降。這種短期不穩定性稱為相位噪聲。時域中的相關術語是抖動。理想情況下，我們希望相位噪聲為零，但在現實系統中，情況并非如此。相位噪聲是本振鎖相環和振蕩器電路中調諧速度和相位噪聲之間的一種常見設計權衡的産物。
通常假設相位噪聲相對于載波是對稱的。即，假設相位噪聲的形狀在載波的上側與在載波的下側相同。按照慣例，相位噪聲與載波一起繪制在垂直軸上，水準軸表示與載波的偏移量，即功率譜密度（PSD），機關為dBc/Hz。此圖上的值表示為在給定頻率偏移下載下傳波下方的振幅值，例如在10 kHz偏移下的-85 dBc/Hz。相位噪聲曲線的形狀還提供有關電路的資訊，例如環路帶寬、閃爍噪聲和噪聲地闆。
圖6 相位噪聲的三種測量技術包括直接法（頂部）、延遲線法（中部）和互相關法（底部）。
6. 調制品質 Modulation Quality
RF發射機通過調制在一個或多個CW載波上編碼資訊。評估調制信号的品質可以深入了解從基帶到射頻輸出的整個發射機鍊的健康狀況。有些測試特定于給定的調制方案，但其他測試則被廣泛使用。例如，使用AM和FM模拟調制，通常測量調制指數和深度。
對于數字IQ波形，誤差向量幅度（EVM），也稱為相對星座誤差（RCE），取決于所采用的标準，描述調制的品質。在發射機内部符号時鐘的每個周期，設定并傳輸波形的相位和幅度。為了測量信号的相位和幅度精度，使用具有适當IQ測量特性的矢量信号分析儀。在符号時鐘的每個周期，測量發送波形的相位和幅度值，将其轉換為IQ分量，并與I和Q分量的預期（理想）值進行比較。這些由适當标準定義的理想值繪制在稱為星座圖的IQ圖上。波形的實際值和預期值之間的差異以百分比表示為誤差項，即EVM。為了包含多個IQ狀态，它通常是整個星座圖上幾百個EVM測量值的運作平均值。
圖7 一個64 QAM信号的IQ圖，下面計算EVM測量值，并放大單個星座點，顯示理想IQ狀态（藍色）測量的IQ狀态（黃色）和表示差異的誤差向量（紅色）為EVM。
總結
許多測試可用于分析射頻發射機。本文涉及的五項測試經常用于各種射頻發射機和應用。確定射頻發射機的正确性能可以提高精度、減少不确定性、提高效率并降低成本。射頻發射機的評估需要一種有系統的方法，包括适當數量的品質測試。所有射頻元件、裝置和連接配接都應小心。使用五個測試作為測試計劃的基礎，導緻改進的性能和可靠性，以及更好地洞察RF發射器的設計和操作。