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射频发射机的5种测量方法

文章附图

在电路板维修培训的过程中,经常有朋友们问到,怎么测试射频电路,以下从网络中摘录了几种射频发射机的测试方法,希望对大家有所帮助。

射频发射机是现代通信的重要组成部分。射频发射器由核心射频组件设计和组装而成,具有许多不同的形式和应用。我们经常想到无线通信中的RF发射器,但是这个概念同样适用于有线应用,例如有线电视。蜂窝电话,雷达,军事通信,航空电子设备,无线局域网,调制解调器和信号发生器只是采用一个或多个RF发射机的系统的一些示例。

操作参数,成本和设计注意事项会影响RF发射机的性能,进而影响RF信号质量。因此,确保RF发射机符合规格对于高质量RF通信至关重要。在射频发射机的各种实现中,都有标准测试对于确保正常运行至关重要。本文探讨了在射频发射机上经常执行的五项基本测量。

内容

  • 输出功率

  • 乐队的力量

  • 不需要的信号

  • 相位噪声

  • 调制质量

  • 概要

输出功率

最常见的射频发射机测量是射频功率。在执行任何其他测试之前,工程师想知道:“我的DUT输出功率吗?是否在指定参数范围内输出功率?” 测试射频功率可以回答这些问题,并且是系统运行状况的第一个指标。


图1.
通用RF发射机的框图显示了经过信号处理的基带信息,
然后在最终转换为RF进行传输之前对其进行调制并转换为中频。

射频功率测量采用多种形式,具体取决于射频发射器的设计和应用。RF输出可以是简单的连续波(CW)信号,脉冲,模拟调制信号或复杂的数字调制传输,例如IQ或正交频分复用(OFDM)波形。在RF功率测量的类型中,CW音调的稳态RF功率也许是最简单的。峰值功率(例如RF脉冲或IQ波形的过冲)是一段时间内的最大值。可以在一个时间段内(例如,在一系列RF脉冲之间)对功率测量值进行平均,从而得出平均功率。与许多移动通信信号一样,可以在一个频带上集成RF功率。

射频功率计是一种用于测量射频功率的精确且经济高效的仪器由于它是无法测量相位的标量仪器,因此应注意将阻抗不匹配的情况降至最低,因为阻抗不匹配的反射会与被测信号相加或异相,从而导致更大的幅度不确定性。功率计是宽带的,不是频率选择性的,因此将任何不需要的信号平均到所需的测量值中。大多数功率计的动态范围是50至70 dB。高端功率计能够进行专门的测量,例如跨频带的集成功率和触发脉冲式RF功率。由于这些原因,如果射频环境得到良好控制,则功率计是一个不错的选择。

通常用于测量RF功率的另一种仪器是频谱分析仪。借助这些更复杂的RF仪器,工程师可以测量整个频率范围内的各个频谱分量。绝对功率测量精度并不出色,通常为+ 0.5至+ 2.0 dB。但是,相对功率精度(或幅度线性)非常好。因此,例如,通过信号发生器以已知的功率水平以给定的频率进行校准,将导致校正后的功率测量结果在动态范围大于100 dB时是准确的。

包括矢量信号分析仪矢量网络分析仪在内的高性能RF仪器可以测量幅度和相位,从而有可能提供更大的误差校正和测量精度。除了前面提到的RF功率测量外,还可以对脉冲波形和其他复杂的RF波形进行特殊测量。这包括脉冲轮廓分析,该轮廓分析测量RF脉冲包络上的功率以及RF脉冲的平均功率和峰值功率。通过诸如峰均比和互补累积分布函数(CCDF)之类的测量,可以以类似于噪声的方式测量复杂的IQ波形。


图2.
  使用矢量信号分析仪测量单个CW信号,跨频带集成的宽带信号和脉冲包络信号的RF功率

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乐队的力量


图3. ACP测试显示了占用信道和四个未占用相邻信道的指定功率和频率限制。


为了提高频谱效率并允许给定频谱有多个用户,RF发射机使用了多种调制技术来编码和发送信息。现代通信被分配了特定数量的频谱,通常称为“信道”。该渠道通常由监管机构定义,例如美国的联邦通信委员会(FCC)。用户通常会对其分配的频谱进行两次测量。一种测量方法是分配的信道上的总功率,通常称为占用带宽(OBW),带内功率或信道功率。在此,功率从分配的开始到分配的停止频率跨通道进行积分。

除了测量信道中的功率之外,还需要确保传输不会泄漏到分配给其他用户的信道中,尤其是在分配信道的任一侧的信道中。除了技术上的缺陷外,这还可能导致监管机构的罚款。一种典型的测试方法是用测试信号填充分配(占用)的频带,并测量与占用信道相邻的信道中的积分功率与频率的关系。该测试有很多名称,但通常称为相邻信道功率(ACP)测量。确切的频率,集成的功率规格和测试方法由控制传输的标准规定。

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不需要的信号

使用完美的RF发送器,唯一发送的信号就是感兴趣的信号。但是,不想要的信号是现实世界中发射机设计折衷的结果。成本,性能和其他要求会影响最终产品。这些有害信号分为三大类:谐波,互调和寄生(杂散)。

主载波信号的整数倍的信号被认为是谐波相关的。这些信号的主要来源是发射机中使用的放大器。这些信号的幅度可能足够低,因此不被认为是重要的。或者,它们的频率可能足够远,可以通过滤波将其降低。谐波易于检测,因为它们的频率是可预测的。例如,在2 GHz,3 GHz等处可以找到1 GHz信号的谐波含量。

互调产物是由发射机组件中的非线性相互作用生成的信号。混频器是具有非线性行为的电路组件的一个示例。混频器输出两个输入信号频率的和与差。在射频发射机中,对输出进行滤波以隔离上变频之和,这一过程称为上变频。这样,通过一个或多个上变频级,可以将低频基带信息转换为最终的RF频率进行传输。不幸的是,混频器还提供许多其他信号,包括输入信号及其谐波的组合,以及输入信号向输出的泄漏。互调产物的频率和幅度随输入信号的变化而变化。经过仔细分析,

术语“杂散”或“杂散”通常适用于任何不需要的信号。在本文的上下文中,它指的是以上未讨论的任何不需要的信号。杂波可能会以任何频率和功率水平发生,例如泄漏和电磁干扰。杂散信号的不可预测的性质使它们在检测和去除方面更具挑战性。经验和分析方法以及良好的设计实践是将其影响最小化的最佳工具。

频谱或矢量信号分析仪具有出色的线性度和相对功率精度,是识别有害信号的频率和相对功率的良好工具。另一方面,通常不使用功率计,因为它们是动态范围有限的宽带。在RF发射机中,不需要的信号表示浪费的RF功率没有进入所需的发射。这会导致多种后果,包括效率降低,热量过多,电池寿命缩短以及测试合格率降低。最好的行动计划是在设计阶段进行适当的分析,以识别和缓解来自发射机的有害信号。


图4.
矢量信号分析仪的显示屏显示了所需的RF输出信号(用黄色标记标识)以及其他谐波,互调和杂散成分。

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相位噪声

射频发射机最有竞争力的规范之一可能是相位噪声。射频发送器和接收器通常由几个变频级组成。再次参考图1,这样做是为了将信号从其原始基带频率上转换为最终RF传输频率。这通常使用一系列混频器来完成,这些混频器将输入频率与本地振荡器(LO)频率相加。

图5 用矢量信号分析仪测得的相位噪声图在水平轴上显示了相对于载波的频率偏移,在垂直轴上显示了相对幅度。红色曲线表示原始数据,白色曲线表示平均值。请注意在1.0和10 MHz偏移之间的低电平杂散信号(红色)。


LO的频率稳定性对于高质量RF通信和传输系统至关重要。任何短期的频率不稳定都会导致性能下降。这种短期的不稳定性称为相位噪声。时域中的相关术语是抖动。理想情况下,我们希望相位噪声为零,但在实际系统中却并非如此。相位噪声是LO锁相环和振荡器电路中调谐速度和相位噪声之间常见设计折衷的产物。

通常假定相位噪声相对于载波是对称的。即,假设相位噪声的形状在载体的上侧与在载体的下侧相同。按照惯例,在载波的垂直轴上绘制相位噪声,而水平轴表示以dBc /赫兹为单位的功率谱密度(PSD)的偏移量。此图上的值表示为在距载波一定的频率偏移下载波下方的幅度值,例如在10 kHz偏移处为-85 dBc / Hz。相位噪声曲线的形状还提供有关电路的信息,例如环路带宽,闪烁噪声和本底噪声。

图6. 相位噪声的三种测量技术包括直接方法(顶部),延迟线方法(中间)和互相关方法(底部)。


测量相位噪声的直接方法是直接方法。使用这种方法,可以将诸如 相位噪声比比被测设备(DUT)更好频谱分析仪之类的测试仪器直接连接到DUT,并使用测试程序或内部特性来绘制相位噪声。为了进行高性能的相位噪声测量,将DUT与一个或多个高度稳定的低相位噪声源进行比较。两个示例是延迟线方法和互相关方法。平均用于减少测量噪声。  

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调制质量

RF发射机通过调制在一个或多个CW载波上编码信息。评估调制信号的质量可以洞悉从基带到射频输出的整个发射机链的健康状况。一些测试特定于给定的调制方案,但其他测试则被广泛使用。例如,对于AM和FM模拟调制,通常会测量调制指数和深度。  

对于数字IQ波形,取决于所采用的标准,误差矢量幅度(EVM)(也称为相对星座误差(RCE))描述了调制的质量。在发送器内部符号时钟的每个周期,都会设置并发送波形的相位和幅度。为了测量信号的相位和幅度精度,使用了具有适当IQ测量特性的矢量信号分析仪。在符号时钟的每个周期,都会测量传输波形的相位和幅度值,将其转换为IQ分量,然后与I和Q分量的预期(理想)值进行比较。由适当标准定义的这些理想值绘制在称为星座图的IQ图上。波形的实际值和期望值之间的差异表示为误差项(以百分比表示),即EVM。为了包含多个IQ状态,通常是整个星座图上数百个EVM测量值的运行平均值。


图7.
  64 QAM信号的IQ图,下面计算出EVM测量值,同时放大单个星座图,显示
理想的IQ状态(蓝色),测量的IQ状态(黄色)和代表差异的误差矢量(红色)作为EVM。

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概要

可以使用许多测试来分析RF发射机。本文涵盖的五项测试经常在各种RF发射机和应用中使用。确保射频发射机的适当性能可提高准确性,减少不确定性,提高效率并降低成本。对RF发射机的评估需要一种有条理的方法,其中要纳入适当数量的质量测试。所有射频组件,设备和连接都应格外小心。使用此处的五项测试作为测试计划的基础,可以提高性能和可靠性,并更好地了解RF发射机的设计和操作。