提高射頻信號(hào)源的測(cè)量精度的八大技巧

信號(hào)源可為各種元器件和系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用提供精確且高度穩(wěn)定的測(cè)試信號(hào)。信號(hào)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(hào)，從而進(jìn)行接收機(jī)性能測(cè)試。本文旨在幫助您提高射頻信號(hào)源的測(cè)量精度。在進(jìn)行測(cè)試配置時(shí)，您可以通過(guò)這里的一個(gè)或多個(gè)技巧來(lái)獲得更精確的數(shù)據(jù)。

技巧 1. 減少信號(hào)源的有效諧波失真 - 在信號(hào)源的輸出端加上一個(gè)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(jì)，可以更精確地測(cè)量被測(cè)器件（DUT）端口的信號(hào)電平。

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

技巧 4. 改善信號(hào)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(hào)源的多路輸出，進(jìn)行 TOI 測(cè)量 - 使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)置可以隔離信號(hào)源，并且改善匹配情況。

技巧 6. 擴(kuò)大幅度范圍 - 使用放大器增大或使用衰減器縮小信號(hào)源的幅度范圍。

技巧 7. 針對(duì) LTE 器件測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化 - 使用適當(dāng)?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(dāng)?shù)南辔辉肼曁卣鳎瑥亩鴥?yōu)化信道內(nèi)和信道外的測(cè)量。

典型的矢量信號(hào)發(fā)生器（信號(hào)源）結(jié)構(gòu)圖。

技巧 1. 減少信號(hào)源的有效諧波失真

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

使用低通濾波器可降低信號(hào)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(hào)能夠完好地通過(guò)，而諧波則受到大幅削弱。您可以使用頻譜分析儀直接檢驗(yàn)信號(hào)源/濾波器組合之后的性能。如果基頻信號(hào)通過(guò)濾波器之后損耗比較大，那么在設(shè)置信號(hào)源輸出電平時(shí)，應(yīng)考慮到這種損耗?？梢允褂妙l譜分析儀來(lái)檢查濾波器輸出端的基本電平，或者如需實(shí)現(xiàn)更好的電平精度，則請(qǐng)參見(jiàn)“技巧 2”。

注：您可以計(jì)算特定諧波（如 m 次諧波）的失真度（％），

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

圖 1a. 使用信號(hào)分析儀測(cè)量諧波失真。

圖 1b. 使用低通濾波器可降低信號(hào)源的有效諧波失真

技巧 2. 提高功率電平精度

在您的測(cè)試設(shè)置中，信號(hào)源與被測(cè)器件之間一般都會(huì)用到無(wú)源器件，例如電纜、濾波器或開(kāi)關(guān)。這些器件會(huì)對(duì)被測(cè)器件的信號(hào)電平精度產(chǎn)生影響。輸入信號(hào)的電平精度在某些應(yīng)用中非常重要，比如在測(cè)量接收機(jī)的靈敏度時(shí)。為了對(duì)被測(cè)器件施加預(yù)定的功率，可以在測(cè)量之前進(jìn)行以下測(cè)試。如圖 2 所示，測(cè)試系統(tǒng)中包括信號(hào)發(fā)生器、配有功率傳感器的功率計(jì)，以及測(cè)量中需要使用的電纜或開(kāi)關(guān)。

您需要熟悉功率計(jì)的校準(zhǔn)和歸零操作，以便根據(jù)功率傳感器的參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)功率計(jì)，首先完成精確的功率測(cè)量。

注：功率計(jì)的測(cè)量精度取決于傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)；請(qǐng)務(wù)必先將校準(zhǔn)系數(shù)輸入功率計(jì)，再進(jìn)行校準(zhǔn)。

您可以使用 USB 功率傳感器或外置功率計(jì)來(lái)對(duì)功率電平進(jìn)行校準(zhǔn)。通常，USB 傳感器使用起來(lái)更為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹С执祟悅鞲衅鞯男盘?hào)發(fā)生器可以自動(dòng)將這一特定傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)下載至信號(hào)發(fā)生器的存儲(chǔ)器中。某些信號(hào)發(fā)生器還支持外置功率計(jì)，能夠利用遠(yuǎn)程接口（如 LAN 或 GPIB）自動(dòng)下載校準(zhǔn)系數(shù)。

完成對(duì)功率計(jì)的校準(zhǔn)之后，將其測(cè)量頻率設(shè)置為信號(hào)的頻率。按圖 2 所示，連接傳感器用它代替被測(cè)器件，然后測(cè)量功率電平。如果功率計(jì)讀數(shù)與信號(hào)源所示的電平存在差異，則使用信號(hào)源的幅度偏置功能進(jìn)行必要的調(diào)整，以讓信號(hào)源所示的功率電平與功率計(jì)的讀數(shù)保持一致。在調(diào)整完特定頻率的幅度之后，信號(hào)源將自動(dòng)顯示相同頻率下不同幅度的正確值。請(qǐng)注意，許多信號(hào)發(fā)生器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此類校正，并在校正過(guò)程中應(yīng)用功率傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)，以便在各個(gè)頻率下提供正確的輸出。功率計(jì)的精度非常高（不確定度只有零點(diǎn)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(hào)電平精度的測(cè)試設(shè)置。

技巧 3. 提高頻率精度

對(duì)于某些測(cè)量來(lái)說(shuō)，激勵(lì)信號(hào)的絕對(duì)頻率最為重要，而其他測(cè)量只需要在多個(gè)信號(hào)之間保持準(zhǔn)確的相對(duì)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(gè)模擬信號(hào)發(fā)生器的輸出組合在一起。每個(gè)信號(hào)源的頻率精度取決于其內(nèi)置的頻率標(biāo)準(zhǔn)件。這些標(biāo)準(zhǔn)件很可能在頻率上略有偏差，因此會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在相對(duì)頻率誤差。

例如，假設(shè)您想要在兩個(gè) 200 MHz 中心頻率的信號(hào)之間設(shè)置 1 KHz的間隔，而信號(hào)源的老化率為 ± 1 x 10-6/年。在這種情況下，信號(hào)源的頻率誤差是 200 MHz x 1 x 10-6 = ± 200 Hz。于是，該間隔可能會(huì)是 600 Hz 到 1400 Hz 之間的任何一個(gè)值（參見(jiàn)圖 3）。為了提高精度，可以將兩個(gè)信號(hào)源的時(shí)基連接在一起。將其中一個(gè)信號(hào)源的參考信號(hào)輸出（通常位于機(jī)箱的后面板上）連接至另一個(gè)信號(hào)源的參考信號(hào)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(hào)發(fā)生器（信號(hào)源），那么只需要一臺(tái)這樣的發(fā)生器即可創(chuàng)建多音頻信號(hào)。由于所有的音頻信號(hào)都是用同一個(gè)通用基帶時(shí)鐘頻率生成的，所以它們相對(duì)的音頻間隔將會(huì)非常精確。

但如果信號(hào)的絕對(duì)頻率很重要，那么可以尋找更精確的外部頻率參考件來(lái)提高信號(hào)源的頻率精度。為您的測(cè)試裝置選擇帶有最精確時(shí)基的儀器，然后將所有其他設(shè)備都連接到這個(gè)參考上。某些儀器制造商會(huì)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)件十分精確，但價(jià)格也可能會(huì)非常高昂。

您可以使用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)件（在整個(gè)設(shè)備內(nèi)使用統(tǒng)一的高精度頻率參考）來(lái)提高頻率精度。將信號(hào)發(fā)生器和所有其他設(shè)備連接到這個(gè)參考上。您可能需要使用信號(hào)分配放大器來(lái)保持適當(dāng)?shù)碾娖胶妥杩蛊ヅ洹?/p>

注：使用外部頻率參考時(shí)，其相位噪聲可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生器（信號(hào)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(hào)源的相位噪聲性能。

圖 3. 陰影區(qū)表示此示例的相對(duì)頻率誤差范圍。

技巧 4. 改善信號(hào)源匹配

信號(hào)源匹配非常重要，因?yàn)楹芏鄿y(cè)試設(shè)備的匹配度都不太理想。信號(hào)源與負(fù)載阻抗之間的失配會(huì)改變被測(cè)器件的有效信號(hào)輸入電平。另外，測(cè)試設(shè)備一般不會(huì)直接連接至信號(hào)源，這就使問(wèn)題變得更為復(fù)雜。在信號(hào)源和負(fù)載之間常常會(huì)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(lái)適應(yīng)測(cè)試設(shè)備的連接器類型，使用濾波器來(lái)消除信號(hào)源的諧波等，則應(yīng)注意這些元器件會(huì)降低測(cè)試設(shè)備所檢測(cè)到的信號(hào)源匹配度。有多種方法可以減少這種失配。最簡(jiǎn)單的是在測(cè)試設(shè)備的輸入端插入一個(gè)匹配良好的固定衰減器。這樣便可將等效的信號(hào)源匹配改善兩倍的衰減量（以 dB 表示）。

如果負(fù)載的匹配較差，它就會(huì)把信號(hào)反射回信號(hào)源。信號(hào)源并不能完全吸收被反射回來(lái)的信號(hào)，其中部分信號(hào)還會(huì)被再次反射給負(fù)載。根據(jù)信號(hào)相位的不同，這種再反射波會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生或利或害的影響。從測(cè)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(dǎo)致的最大和最小誤差。

下例（圖 4）顯示了插入衰減器之后對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。

圖 4. 信號(hào)源匹配影響了測(cè)量的不確定度。

技巧 5. 進(jìn)行高質(zhì)量的 TOI 測(cè)量

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

每個(gè)信號(hào)源都希望看到理想的 50Ω 終端。使用電阻式合路器時(shí)，務(wù)必使用三電阻式，而非雙電阻式。參見(jiàn)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(jì)，用以提供精確的電平控制。對(duì)于 TOI 應(yīng)用，雙電阻式合路器并不會(huì)在所有端口上都提供 50Ω 匹配。除了在所有三個(gè)端口提供合適的端接外，三電阻式分離器還會(huì)在兩個(gè)信號(hào)源之間提供 6 dB 的隔離度。

組合使用兩個(gè)信號(hào)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(wú)論使用哪種類型的合路器，在合成信號(hào)之前，您都可通過(guò)在每個(gè)信號(hào)源的輸出端加入衰減器來(lái)改善信號(hào)源之間的隔離度。您可以增大信號(hào)源的功率，以便對(duì)額外的衰減做出補(bǔ)償。通過(guò)在每個(gè)信號(hào)源的輸出端增加一個(gè) 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(gè)信號(hào)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(gè)信號(hào)源提供充裕的隔離度。

對(duì)于某些信號(hào)源來(lái)說(shuō)，關(guān)閉輸出端的自動(dòng)電平控制（ALC）功能會(huì)減少互調(diào)產(chǎn)物，從而防止兩個(gè)信號(hào)源之間的功率電平控制發(fā)生沖突。但是對(duì)于寬頻偏移（一般為 100 kHz 或更高）來(lái)說(shuō)，這并不是問(wèn)題，因?yàn)樵?AM 關(guān)閉時(shí)，大部分的 ALC 帶寬都相當(dāng)小。

圖 5a. 兩個(gè)互調(diào)的信號(hào)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(duì)信號(hào)源的輸出進(jìn)行隔離。

使用矢量信號(hào)發(fā)生器時(shí)，只要各音頻信號(hào)之間的總頻率間隔不超過(guò)基帶信號(hào)發(fā)生器的帶寬，您就可以用一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器生成多種音頻信號(hào)。這樣便無(wú)需在外部合成信號(hào)，因此測(cè)試設(shè)置會(huì)更加簡(jiǎn)單。動(dòng)態(tài)范圍會(huì)受到基帶信號(hào)發(fā)生器垂直分辨率有效位數(shù)的限制。矢量信號(hào)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(yù)失真技術(shù)，可以進(jìn)一步減少互調(diào)產(chǎn)物，如圖 5d 所示。

圖 5c. 在矢量信號(hào)發(fā)生器上創(chuàng)建的雙音頻信號(hào)，兩個(gè)音頻信號(hào)與三階產(chǎn)物的間隔超過(guò)了 70 dBc。

圖 5d. 使用預(yù)失真技術(shù)校正間隔不相等的音頻。

技巧 6. 擴(kuò)大幅度范圍

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

和放大器的情況一樣，在使用衰減器時(shí)，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(shí)現(xiàn)最精確的測(cè)量，可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)衰減器進(jìn)行定標(biāo)，然后校正信號(hào)源功率，以補(bǔ)償衰減器的誤差。

當(dāng)您使用外置放大器或衰減器時(shí)，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(cè)量精度。

干擾信號(hào)是一個(gè)主要的誤差來(lái)源，特別是在幅度電平非常小的時(shí)候。干擾信號(hào)可能來(lái)自外部輻射（例如附近的無(wú)線電臺(tái)）或信號(hào)源本身的信號(hào)泄漏。信號(hào)源的泄漏會(huì)影響輸入到被測(cè)器件的電平，而外部噪聲則會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，可將被測(cè)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(hào)源的信號(hào)泄漏所造成的 影響。

圖 6a. 增大幅度范圍時(shí)，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(shí)，將被測(cè)器件放置到屏蔽環(huán)境中。

技巧 7. 針對(duì) LTE 器件測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化

LTE 標(biāo)準(zhǔn)不同于 cdma2000?、W-CDMA 或 HSPA 等前幾代的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，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(lái)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(guò)您需要在這些特征之間做出權(quán)衡，因?yàn)樵趦?yōu)化其中一種特征時(shí)，相應(yīng)地會(huì)弱化另一種特征。

測(cè)試元器件時(shí)，首先最好是使用 EVM 或 ACLR 性能更佳的激勵(lì)信號(hào)，這樣可以清晰地確定被測(cè)器件造成的性能下降。Keysight Signal Studio 軟件提供了不同的濾波選項(xiàng)，允許用戶修改信號(hào)的 EVM 和 ACPR 特征。該軟件默認(rèn)啟動(dòng)是德科技定義的基帶信號(hào) 濾波器，以便使 ACPR 和 EVM 性能達(dá)到良好平衡。如果想要優(yōu)化信號(hào)的 EVM 性能，您可以采用其他濾波方式，比如輸入一個(gè)非零的符號(hào)滾降長(zhǎng)度值（單位為 Ts，1 Ts = 32.55 ns）。這將為時(shí)域中的 OFDM 設(shè)定一個(gè)恰當(dāng)?shù)募哟伴L(zhǎng)度，以消除 OFDM 符號(hào)間的不連續(xù)點(diǎn)。增大該參數(shù)值可以改善 EVM 性能，但同時(shí)也可能會(huì)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(cè)量結(jié)果。所有示例均使用了 5 MHz E-TM 1.1 信號(hào)，該信號(hào)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(rèn)基帶信號(hào)濾波器的結(jié)果。復(fù)合 EVM 大約為 0.53%，ACPR 為 -73.2 dB。圖 7b 顯示了關(guān)閉基帶信號(hào)濾波器并將符號(hào)滾降長(zhǎng)度設(shè)置為 20 Ts 時(shí)的結(jié)果。這種組合實(shí)現(xiàn)了更好的 EVM，但相鄰信道內(nèi)的頻譜增生卻非常嚴(yán)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(shí)保持良好的 ACLR 性能。圖 7c 顯示了啟動(dòng)基帶信號(hào)濾波器并將符號(hào)滾降長(zhǎng)度設(shè)置為 20 Ts 時(shí)的結(jié)果。EVM 是 0.46%，ACPR 為 -73.1 dB。圖 7c 中的測(cè)量結(jié)果表明，Keysight MXG 信號(hào)發(fā)生器具有非常出色的 ACLR 性能?；诓煌男盘?hào)參數(shù)，MXG 的 ACLR 性能通常要比其他（EVM 性能水平相當(dāng)?shù)模┬盘?hào)發(fā)生器高出 3-5 dB，因此在測(cè)試高性能器件時(shí)，MXG 具有顯著優(yōu)勢(shì)。

信號(hào)源自身的隨機(jī)噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(xué)建模時(shí)，它通常采用隨機(jī)相位調(diào)制來(lái)表達(dá)。相位噪聲的單位為 dBc/Hz，表示的是：當(dāng)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(duì)于信號(hào)源的輸出頻率的偏移值來(lái)表示。例如，對(duì)于一個(gè) 3 GHz 頻率的信號(hào)，信號(hào)源的相位噪聲可能會(huì)在 20 kHz 的頻偏處表示為 -131 dBc/Hz。

某些信號(hào)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(duì)信道內(nèi)測(cè)量或信道外測(cè)量來(lái)定制合適的噪聲性能。如果信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部合成器的鎖相環(huán)帶寬增大，那么進(jìn)行信道內(nèi)測(cè)量時(shí)，在較低偏移處（例如小于 150 kHz）的相位噪聲會(huì)降至最小，但代價(jià)是在較高偏移處的相位噪聲會(huì)增大。相反，如果使用較窄的鎖相環(huán)帶寬，那么進(jìn)行信道外測(cè)量時(shí)，在較高偏移處（例如大于 150 kHz）的相位噪聲將會(huì)達(dá)到最佳，而代價(jià)便是，在較低偏移處的相位噪聲會(huì)增大。

部分型號(hào)的信號(hào)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(duì)給定的衰減器設(shè)置來(lái)調(diào)整 ACL 電平，從而降低寬帶噪聲。建議使用這種模式來(lái)測(cè)試寬帶接收機(jī)和其他對(duì)總體噪聲功率十分敏感的器件。

相位噪聲通常顯示在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上，方便您在同一個(gè)圖中查看近端相位噪聲（偏移小于 1 kHz）和遠(yuǎn)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(jìn)行測(cè)試配置時(shí)，適當(dāng)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(jī)或系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用帶來(lái)更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定的測(cè)試信號(hào)。

編輯：hfy