采用频谱和信号分析仪进行射频功率与频率测量时的仪器设置技巧

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        RF功率的频域测量是传统频谱分析仪和现代的矢量信号分析仪最基本的测试。恰当的测试方法对于避免结果出现重大误差非常重要。本应用说明的目的是通过介绍一些仪器和测试基本知识来避免这种误差的出现。 

        要实现正确的频谱测量,在配置频谱分析仪时,必须选用很多的频率和幅度控制(如图1所示)。

幅度控制 

        图1描述了关键的幅度控制以及它们如何影响测试结果的。 

        基准电平(Ref Level):基准电平设置频谱分析仪最大的输入范围。基准电平控制仪器的y轴参数,类似于示波器上的V/Div(电压标示格)。基准电平应该设置得为比测试中估计出现的最大功率电平略高。最佳基准电平位于仪器失真和仪器背景噪声最小之间的平衡点上。在某些情况下,对于宽带噪声测试来说,故意设置比较低的基准电平(此时会产生一些仪器失真)也会有好处。这样做的好处是可以改善测试灵敏度,只要认识到测试结果有些失真,并确保失真并非测试指标中的一项。 

        也可以通过衰减器设置控制来设置仪器的输入范围。通常这个控制设置为自动,这样软件可以根据基准电平设置来调整衰减量。传统的仪器,如频谱分析仪将显示器的y轴与基准电平或者固件中的衰减器联动,但是虚拟仪器并不受此限—如果需要,y轴可以脱离这些控制。这种功能有时非常有用,比如要放大频谱上感兴趣部分而又不希望影响仪器的幅度设置时。 

        检测模式是另一类的幅度控制,只适用于传统的扫频频谱分析仪,而不是基于FFT的分析仪。在我们讨论检测模式之前,理解频率控制非常重要。

频率控制 

        图1还描述了关键的频率控制以及它们是如何影响测试结果的。 

        中心频率:中心频率是控制测量的中心频率。中心频率与测试带宽一起定义了仪器面板上看到的频率范围。 

        测试带宽:测试带宽定义仪器捕捉到的总频谱量。测试带宽以中心频率为中心。 

        分辨带宽(RBW):分辨带宽控制频率轴的频率分辨力。在传统的频谱分析仪中,用一个窄带滤波器在测试带宽上进行扫描来产生频谱显示。滤波器带宽确定了频率轴上的频率分辨力。然而,在基于FFT的分析仪中并没有模拟滤波器。而是由FFT与其相应的滤波窗口参数来确定频率分辨力或者分辨带宽。不过在这类仪器中,更恰当的叫法应该是频率分辨力。 

        那些熟悉FFT分析仪和FFT的人可能会问:RBW频率分辨力参数到底与FFT的窗口(bin)的大小具有什么样的关系?下面的表1显示了bin大小(?F=采样率/采样数)与-3dB和-6dB分辨带宽的关系。 

        注意基于FFT的频谱分析仪,例如PXI-5660RF信号分析仪提供了一个窗口选择来限制频谱泄漏,并改善频域上间隔很小的信号之间的分辨力。而传统的频谱分析仪并不提供这种功能。 

        在传统扫描分析仪中,由于模拟滤波器的建立时间的影响,测试时间(扫描时间)与RBW的平方成反比。这时,随着减小RBW来改善频率分辨力时,扫描时间呈指数级增加。而对于FFT信号分析仪来讲,当减少RBW时,相对应的是执行更长的采集和更大的FFT计算量。由于DSP器件变得越来越快,这意味着对于更高分辨力(更窄的RBW)的测量设备来说,基于FFT在测试速度方面将具有很大的优势。



图1.:基本的频谱显示与相关的各种控制

检测模式和对功率测量的影响 

        检测模式(标准的、峰值、采样或谷值)决定了频谱分析仪如何来处理降低或压缩后的频谱信息。当频谱数据点超过频谱分析仪的显示能力时,频谱分析仪必须对数据进行缩减。这样一来,检测模式可以极大地改变任何功率测量。 

        表1总结了不同的检测模式以及他们对集成功率测试的影响。



表1.:滤波窗口大小与RBW的关系

影响RF仪器中频率精度的因素 

        传统的频谱分析仪采用位于起始频率和终止频率之间的扫频方法。这种扫频方法依赖于一个模拟斜坡信号,起始频率直接从高精度的时基基准中合成而来。因此,模拟斜坡信号的精度以及中频滤波器中心频率的精度将制约起始频率的精度。基于FFT的分析仪并不受这种限制因素的制约,因为不需要模拟斜坡信号扫描滤波器。频率测试的精度在给定的测试带宽内是一致的。在测试带宽内的精度只取决于时基精度和测量算法,因此很容易获得更优的频率精度和可重复性。 

        在传统的扫频分析仪中,引起频率误差的主要因素为: 

        * 基准频率误差 

        * 测试带宽误差(通常为带宽的0.5%) 

        * 分辨带宽误差(通常为RBW的15%) 

        相对地,在基于FFT的分析仪中,引起频率误差的主要因素为: 

        * 基准频率误差 

        * 分辨带宽误差(从小于RBW的10%到大于RBW的50%的范围内变化,具体取决于所用的测量算法) 

        为比较这两种类型的设备的误差,忽略基准频率误差是比较恰当的,因为该误差可以通过使用高精度频率基准来补偿,例如铷基准源。高于50kHz的测试带宽和大于1kHz的RBW设置影响到了传统扫频分析仪的测量性能,除非采用优化的方法,例如在测试带宽的中心加一个100MHz的信号。由于滤波器的扫描时间所致,如果要求使用较小RBW,就等同于更长的测量时间。对于给定的实例,传统频谱分析仪的采用的扫描时间为150ms到200ms。 

        基于FFT的分析仪的精度将主要受限于测试算法。频谱测试工具套件中所使用的算法,NI PXI-5660 RF信号分析仪采用的测试软件,采用了正在申请专利的3点插值方法,可以获取比分辨带宽所指示的更高的分辨力。在上面的实例中,将RBW设置到2kHz,这对于要获得比要求更高的精度来说并不会有什么问题。





表2:频谱分析仪检测模式 

        基于FFT的分析仪可以使用相对较大的RBW设置来精确地测量频率,而并不需要使用精度优化的测试技术,这等效于在相同的测试时间内可以实现更快或者更准确的测量。NI PXI-5660 RF信号分析仪可以在不超过20ms的时间内完成上面的测试实例,这相对于传统的频谱分析仪来说,速度改善了6倍以上。

本文小结 

        看来,采用传统频谱分析仪和基于FFT的信号分析仪进行功率与频率测试时,理解和掌握上述基础知识十必须的。必须采用正确的仪器设置,否则测试结果可能会出现很大的变化和偏差,即使是使用同一台仪器也会如此。因此,对于每个特定的测试,理解仪器的工作原理对于正确选择仪器的设置来完成指定的测量来说是至关重要的。