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八大技巧提高射频信号源的测试精度

关键词:八大技巧 射频信号源 测试精度

时间:2021-03-16 10:56:34      来源:网络

信号源可为各种元器件和系统测试应用提供精确且高度稳定的测试信号。信号发生器则增加了精确的调制功能,可以帮助模拟系统信号,从而进行接收机性能测试。本文旨在帮助您提高射频信号源的测量精度。在进行测试配置时,您可以通过这里的一个或多个技巧来获得更精确的数据。

信号源可为各种元器件和系统测试应用提供精确且高度稳定的测试信号。信号发生器则增加了精确的调制功能,可以帮助模拟系统信号,从而进行接收机性能测试。本文旨在帮助您提高射频信号源的测量精度。在进行测试配置时,您可以通过这里的一个或多个技巧来获得更精确的数据。

技巧 1. 减少信号源的有效谐波失真 - 在信号源的输出端加上一个低通滤波器,可以减少谐波失真。

技巧 2. 提高功率电平精度 - 使用功率计,可以更精确地测量被测器件(DUT)端口的信号电平。

技巧 3. 提高频率精度 - 选择适当的参考频率,可以提高绝对频率精度或相对频率精度。

技巧 4. 改善信号源匹配 - 使用固定衰减器,可以减少失配误差。

技巧 5. 结合使用信号源的多路输出,进行 TOI 测量 - 使用适当的设置可以隔离信号源,并且改善匹配情况。

技巧 6. 扩大幅度范围 - 使用放大器增大或使用衰减器缩小信号源的幅度范围。

技巧 7. 针对 LTE 器件测试进行优化 - 使用适当的滤波技术,以便优化 EVM 和 ACLR。

技巧 8. 选择理想的相位噪声特征 - 选择适当的相位噪声特征,从而优化信道内和信道外的测量。

典型的矢量信号发生器(信号源)结构图。

技巧 1. 减少信号源的有效谐波失真

为了精确测量谐波失真,需要使用频谱纯净的信号源和频谱分析仪。信号源的谐波失真和频谱分析仪的动态范围都是影响测量质量的重要因素。相比而言,信号源的影响通常会更大一些,其谐波失真一般比基频信号低 30-50 dB。图 1a 展示了典型的谐波失真测量结果。信号的谐波失真通常是用最大谐波幅度(dB)与基频信号幅度的比值来描述的。

使用低通滤波器可降低信号源的有效谐波失真,如图 1b 所示。选择低通滤波器的截止频率,以确保大部分的基频信号能够完好地通过,而谐波则受到大幅削弱。您可以使用频谱分析仪直接检验信号源/滤波器组合之后的性能。如果基频信号通过滤波器之后损耗比较大,那么在设置信号源输出电平时,应考虑到这种损耗。可以使用频谱分析仪来检查滤波器输出端的基本电平,或者如需实现更好的电平精度,则请参见“技巧 2”。

注:您可以计算特定谐波(如 m 次谐波)的失真度(%),



还可以计算总谐波失真:使用上式计算每个谐波的失真,然后再计算其求和之后的平方根:



图 1a. 使用信号分析仪测量谐波失真。



图 1b. 使用低通滤波器可降低信号源的有效谐波失真

技巧 2. 提高功率电平精度

在您的测试设置中,信号源与被测器件之间一般都会用到无源器件,例如电缆、滤波器或开关。这些器件会对被测器件的信号电平精度产生影响。输入信号的电平精度在某些应用中非常重要,比如在测量接收机的灵敏度时。为了对被测器件施加预定的功率,可以在测量之前进行以下测试。如图 2 所示,测试系统中包括信号发生器、配有功率传感器的功率计,以及测量中需要使用的电缆或开关。

您需要熟悉功率计的校准和归零操作,以便根据功率传感器的参数来校准功率计,首先完成精确的功率测量。

注:功率计的测量精度取决于传感器的校准系数;请务必先将校准系数输入功率计,再进行校准。

您可以使用 USB 功率传感器或外置功率计来对功率电平进行校准。通常,USB 传感器使用起来更为简单,因为支持此类传感器的信号发生器可以自动将这一特定传感器的校准系数下载至信号发生器的存储器中。某些信号发生器还支持外置功率计,能够利用远程接口(如 LAN 或 GPIB)自动下载校准系数。

完成对功率计的校准之后,将其测量频率设置为信号的频率。按图 2 所示,连接传感器用它代替被测器件,然后测量功率电平。如果功率计读数与信号源所示的电平存在差异,则使用信号源的幅度偏置功能进行必要的调整,以让信号源所示的功率电平与功率计的读数保持一致。在调整完特定频率的幅度之后,信号源将自动显示相同频率下不同幅度的正确值。请注意,许多信号发生器会自动执行此类校正,并在校正过程中应用功率传感器的校准系数,以便在各个频率下提供正确的输出。功率计的精度非常高(不确定度只有零点几 dB),因此可以为您保证功率电平的精确性。



图 2. 用于提高信号电平精度的测试设置。

技巧 3. 提高频率精度

对于某些测量来说,激励信号的绝对频率最为重要,而其他测量只需要在多个信号之间保持准确的相对频率间隔即可。例如,要用已知的频率创建多音频输入,传统方法是将多个模拟信号发生器的输出组合在一起。每个信号源的频率精度取决于其内置的频率标准件。这些标准件很可能在频率上略有偏差,因此会导致测量结果存在相对频率误差。

例如,假设您想要在两个 200 MHz 中心频率的信号之间设置 1 KHz的间隔,而信号源的老化率为 ± 1 x 10-6/年。在这种情况下,信号源的频率误差是 200 MHz x 1 x 10-6 = ± 200 Hz。于是,该间隔可能会是 600 Hz 到 1400 Hz 之间的任何一个值(参见图 3)。为了提高精度,可以将两个信号源的时基连接在一起。将其中一个信号源的参考信号输出(通常位于机箱的后面板上)连接至另一个信号源的参考信号输入。现在,间隔的不确定度为 1 KHz x 10-6 或 0.001 Hz。

如果您使用的是矢量信号发生器(信号源),那么只需要一台这样的发生器即可创建多音频信号。由于所有的音频信号都是用同一个通用基带时钟频率生成的,所以它们相对的音频间隔将会非常精确。

但如果信号的绝对频率很重要,那么可以寻找更精确的外部频率参考件来提高信号源的频率精度。为您的测试装置选择带有最精确时基的仪器,然后将所有其他设备都连接到这个参考上。某些仪器制造商会提供高稳定度的温控参考振荡器作为选件。这些频率和时间标准件十分精确,但价格也可能会非常高昂。

您可以使用内部标准件(在整个设备内使用统一的高精度频率参考)来提高频率精度。将信号发生器和所有其他设备连接到这个参考上。您可能需要使用信号分配放大器来保持适当的电平和阻抗匹配。

注:使用外部频率参考时,其相位噪声可能会导致信号发生器(信号源)的相位噪声性能下降。因此在使用之前,务必要注意外部参考信号源的相位噪声性能。



图 3. 阴影区表示此示例的相对频率误差范围。

技巧 4. 改善信号源匹配

信号源匹配非常重要,因为很多测试设备的匹配度都不太理想。信号源与负载阻抗之间的失配会改变被测器件的有效信号输入电平。另外,测试设备一般不会直接连接至信号源,这就使问题变得更为复杂。在信号源和负载之间常常会有电缆和其他元器件,如适配器和滤波器。如果您使用适配器来适应测试设备的连接器类型,使用滤波器来消除信号源的谐波等,则应注意这些元器件会降低测试设备所检测到的信号源匹配度。有多种方法可以减少这种失配。最简单的是在测试设备的输入端插入一个匹配良好的固定衰减器。这样便可将等效的信号源匹配改善两倍的衰减量(以 dB 表示)。

如果负载的匹配较差,它就会把信号反射回信号源。信号源并不能完全吸收被反射回来的信号,其中部分信号还会被再次反射给负载。根据信号相位的不同,这种再反射波会对负载产生或利或害的影响。从测量角度看,最大功率传输和最小功率传输分别代表了可能因阻抗失配而导致的最大和最小误差。

下例(图 4)显示了插入衰减器之后对测量带来的影响。



图 4. 信号源匹配影响了测量的不确定度。

技巧 5. 进行高质量的 TOI 测量

在组合使用两个信号源进行三阶互调(TOI)测量时,务必正确端接信号源并将二者相互隔离。如未隔离,信号源将会相互交调,并在被测器件的输入端产生交调产物(图 5a)。这种情况会掩盖器件的真实交调性能。

每个信号源都希望看到理想的 50Ω 终端。使用电阻式合路器时,务必使用三电阻式,而非双电阻式。参见图 5b。双电阻式合路器/分离器用于电平校正应用,分离器的一端连接至功率计,用以提供精确的电平控制。对于 TOI 应用,双电阻式合路器并不会在所有端口上都提供 50Ω 匹配。除了在所有三个端口提供合适的端接外,三电阻式分离器还会在两个信号源之间提供 6 dB 的隔离度。

组合使用两个信号源的最佳方式是使用定向分离器或定向耦合器,它们均可提供良好的端口匹配和额外的隔离度。

无论使用哪种类型的合路器,在合成信号之前,您都可通过在每个信号源的输出端加入衰减器来改善信号源之间的隔离度。您可以增大信号源的功率,以便对额外的衰减做出补偿。通过在每个信号源的输出端增加一个 10 dB 的衰减器,可将隔离度增大 20 dB。另一种增大隔离度的方法是在每个信号源的后面加上放大器。放大器的反向隔离特性一般可以为两个信号源提供充裕的隔离度。

对于某些信号源来说,关闭输出端的自动电平控制(ALC)功能会减少互调产物,从而防止两个信号源之间的功率电平控制发生冲突。但是对于宽频偏移(一般为 100 kHz 或更高)来说,这并不是问题,因为在 AM 关闭时,大部分的 ALC 带宽都相当小。



图 5a. 两个互调的信号源之间造成互调产物的示例。



图 5b. 使用三电阻式合路器对信号源的输出进行隔离。

使用矢量信号发生器时,只要各音频信号之间的总频率间隔不超过基带信号发生器的带宽,您就可以用一台信号发生器生成多种音频信号。这样便无需在外部合成信号,因此测试设置会更加简单。动态范围会受到基带信号发生器垂直分辨率有效位数的限制。矢量信号发生器一般还表现出较小的载波馈通,如图 5c 中心区域所示。使用软件预失真技术,可以进一步减少互调产物,如图 5d 所示。



图 5c. 在矢量信号发生器上创建的双音频信号,两个音频信号与三阶产物的间隔超过了 70 dBc。



图 5d. 使用预失真技术校正间隔不相等的音频。

技巧 6. 扩大幅度范围

信号发生器有一个重要的技术指标,那就是输出功率范围。当您需要的输出功率超出这个范围时,可以使用放大器增大输出功率,或者使用衰减器来降低输出功率。在使用这些设备扩展信号源的输出幅度范围时,有一些重要因素需要注意。放大器的增益不确定度会直接影响输出信号电平。因此,要特别注意放大器的 1 dB 压缩点。如果需要使器件趋近该压缩点,则应在输出端加上一个低通滤波器,以便把增加的谐波失真降下来 (图 6a)。

和放大器的情况一样,在使用衰减器时,也需要考虑一些不确定因素,比如衰减器的平坦度和精度。为了实现最精确的测量,可以用网络分析仪对衰减器进行定标,然后校正信号源功率,以补偿衰减器的误差。

当您使用外置放大器或衰减器时,技巧 2“提高功率电平精度”中介绍的方法同样有效,能够帮助您尽量提高测量精度。

干扰信号是一个主要的误差来源,特别是在幅度电平非常小的时候。干扰信号可能来自外部辐射(例如附近的无线电台)或信号源本身的信号泄漏。信号源的泄漏会影响输入到被测器件的电平,而外部噪声则会影响测量数据。为了提高测量的准确性,可将被测器件放置在屏蔽环境中,如金属箱(图 6b)或屏蔽室内。另外还可以使用 TEM(横向电磁波)室,它也可以减少因外部辐射以及外部衰减器或信号源的信号泄漏所造成的 影响。



图 6a. 增大幅度范围时,使用低通滤波器可以降低所增加的谐波失真。



图 6b. 缩小幅度范围时,将被测器件放置到屏蔽环境中。

技巧 7. 针对 LTE 器件测试进行优化

LTE 标准不同于 cdma2000®、W-CDMA 或 HSPA 等前几代的移动通信标准,它并未定义出特定的传输滤波器。因此,您可以使用各种滤波器来优化信道内性能以改善 EVM,或者优化带外性能,以提供更好的 ACPR 和频谱模板特征。不过您需要在这些特征之间做出权衡,因为在优化其中一种特征时,相应地会弱化另一种特征。

测试元器件时,首先最好是使用 EVM 或 ACLR 性能更佳的激励信号,这样可以清晰地确定被测器件造成的性能下降。Keysight Signal Studio 软件提供了不同的滤波选项,允许用户修改信号的 EVM 和 ACPR 特征。该软件默认启动是德科技定义的基带信号 滤波器,以便使 ACPR 和 EVM 性能达到良好平衡。如果想要优化信号的 EVM 性能,您可以采用其他滤波方式,比如输入一个非零的符号滚降长度值(单位为 Ts,1 Ts = 32.55 ns)。这将为时域中的 OFDM 设定一个恰当的加窗长度,以消除 OFDM 符号间的不连续点。增大该参数值可以改善 EVM 性能,但同时也可能会降低 ACPR 性能。

图 7a、7b 和 7c 中的示例显示了使用不同滤波方式得到的测量结果。所有示例均使用了 5 MHz E-TM 1.1 信号,该信号将所有可用的资源块(RB)都分配给了使用 QPSK 调制的 PDSCH。图 7a 显示了使用默认基带信号滤波器的结果。复合 EVM 大约为 0.53%,ACPR 为 -73.2 dB。图 7b 显示了关闭基带信号滤波器并将符号滚降长度设置为 20 Ts 时的结果。这种组合实现了更好的 EVM,但相邻信道内的频谱增生却非常严重。 EVM 大约是 0.37%,而 ACPR 为 -43.1 dB。

这两种滤波方式可以结合使用,以便提供更好的 EVM 性能,同时保持良好的 ACLR 性能。图 7c 显示了启动基带信号滤波器并将符号滚降长度设置为 20 Ts 时的结果。EVM 是 0.46%,ACPR 为 -73.1 dB。图 7c 中的测量结果表明,Keysight MXG 信号发生器具有非常出色的 ACLR 性能。基于不同的信号参数,MXG 的 ACLR 性能通常要比其他(EVM 性能水平相当的)信号发生器高出 3-5 dB,因此在测试高性能器件时,MXG 具有显著优势。



图 7a. 5 MHz E-TM 1.1 信号,默认基带信号滤波器启动(ACLR 最佳)。



图 7b. 5 MHz E-TM 1.1 信号,基带信号滤波器关闭,符号滚降长度 = 20 Ts(EVM 最佳)。



图 7c. 5 MHz E-TM 1.1 信号,基带信号滤波器启动,符号滚降长度 = 20 Ts。

技巧 8. 选择理想的相位噪声特征

信号源自身的随机噪声会导致信号功率分散在一定的频率范围内,这种现象被称作相位噪声;在数学建模时,它通常采用随机相位调制来表达。相位噪声的单位为 dBc/Hz,表示的是:当载波归一化为 1 Hz 带宽之后,相位噪声比载波低了多少(单位为 dB)。相位噪声是用相对于信号源的输出频率的偏移值来表示。例如,对于一个 3 GHz 频率的信号,信号源的相位噪声可能会在 20 kHz 的频偏处表示为 -131 dBc/Hz。

某些信号发生器可以选择两种相位噪声模式,如图 8a 所示。您可以针对信道内测量或信道外测量来定制合适的噪声性能。如果信号发生器内部合成器的锁相环带宽增大,那么进行信道内测量时,在较低偏移处(例如小于 150 kHz)的相位噪声会降至最小,但代价是在较高偏移处的相位噪声会增大。相反,如果使用较窄的锁相环带宽,那么进行信道外测量时,在较高偏移处(例如大于 150 kHz)的相位噪声将会达到最佳,而代价便是,在较低偏移处的相位噪声会增大。

部分型号的信号发生器提供了一种优化模式,可以优化其信噪比性能。如图 8b 所示,这种模式可针对给定的衰减器设置来调整 ACL 电平,从而降低宽带噪声。建议使用这种模式来测试宽带接收机和其他对总体噪声功率十分敏感的器件。

相位噪声通常显示在双对数坐标轴上,方便您在同一个图中查看近端相位噪声(偏移小于 1 kHz)和远端相位噪声(偏移大于 1 MHz)。



图 8a. 调整锁相环带宽,优化相位噪声。



图 8b. 优化信噪比,降低宽带噪声。

结论

在进行测试配置时,适当采用上述技巧有助于提高数据精度,并为您的元器件、接收机或系统测试应用带来更精准、更稳定的测试信号。

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