RF測試筆記是業(yè)界一線工程師們通過理論和實踐相結(jié)合的方式介紹射頻微波測試技術(shù)的專欄，主要涵蓋噪聲系數(shù)、數(shù)字調(diào)制、矢網(wǎng)、頻譜分析、脈沖信號等內(nèi)容。

1. S參數(shù)依賴于系統(tǒng)阻抗

在射頻、微波無線系統(tǒng)中準確地測量功率是最基本的要求，進行功率測量有多種測量設(shè)備和測試方法可以選擇，如功率計測量、頻譜測量等。在實際測試工作中，應(yīng)確保每種方法的優(yōu)點和局限性不會影響測試數(shù)據(jù)的準確性。

本文將探討不同測試方法之間的差異，一是使用功率計，二是使用頻譜儀；從連續(xù)波（CW）、multi-tone、調(diào)制信號（32QAM）和脈沖信號測量來比較。

信號源是用一款比較常見的MXG N5182B，用他出功率為-20dBm @6GHz的信號。平均功率計用的是U2000A USB功率計，峰值功率計用的是Keysight 8990，頻譜儀使用的是N9938A手持頻譜儀。

測量CW信號

CW信號不攜帶任何信息，因此平均功率和峰值功率相同，信號沒有帶寬。所以測量設(shè)備可以使用窄帶濾波器來提高設(shè)備的底噪。

Figure1： （a）頻譜儀（b）功率計（c）頻譜儀的channel power測量選件

圖1a是頻譜儀的掃頻，span=500kHz，fc=6G。信號的峰值功率（也是平均功率）為-20.08dBm。圖1b是USB功率計測得的平均功率為-20.00dBm。圖7c頻譜儀的channel power測量選件測得的平均功率為-20.09dBm。頻譜儀的channel power測量選件必須為其設(shè)置Occupied bandwidth，即設(shè)置被測信號的信道帶寬。在圖1c測量中，Occupied bandwidth設(shè)置為100kHz。但是連續(xù)波信號沒有帶寬，Occupied bandwidth可以設(shè)置為任何值。三個值相差在0.1dB以內(nèi)，其中功率計具有最高的準確度或最低的測量不確定度。

測量多音信號

用信號源出一個5 tone，spacing=500kHz的多音信號，再分別連接到以上三種測試環(huán)境中，得到的結(jié)果如下。

Figure2： （a）頻譜儀（b）功率計（c）頻譜儀的channel power測量選件

如果多音信號的總功率為-20dBm（10μW），則每個音的功率是-26.98dBm（2μW）。功率計將測量所有五個音的總功率，如圖2b測到的是-20.13dBm。圖2c中如果Occupied bandwidth設(shè)置很寬，包含所有五個音（在這種情況下，Occupied bandwidth至少要達到2.5MHz），測量值為20.2dBm。如果Occupied bandwidth小于spacing將只測到一個音的功率，測量值為-27.1dBm，接近單音的理論值-26.98dBm。圖2a中，頻譜可單獨測量每個tone的功率，理論上5個tone的功率應(yīng)該相等，測量值為-27dBm（圖1a應(yīng)為-27dBm）。

如果在實際測試工作中需要只測量其中部分tone的功率，由于功率計沒有頻率選擇性，因此只能使用頻譜儀進行單音或特定Occupied bandwidth的測量，比如只需要測量基波功率的場景，或測試IM交調(diào)產(chǎn)物的測試場景。

測量一個數(shù)字調(diào)制信號（32QAM）

用N5182B出一個32QAM調(diào)制，symbol rate=5M/s的信號。功率計得到的平均功率為-20.00dBm（圖3b），頻譜儀的channel power測量選件得到的平均功率為-20.07dBm（圖3c）。

Figure3： （a）頻譜儀（b）功率計（c）頻譜儀的channel power測量選件

只要信號的功率電平和頻率范圍在功率計的傳感器的能力范圍內(nèi)，功率計就能夠得到帶寬未知的信號的總功率。頻譜儀的channel power測量選件的occupied bandwidth必須設(shè)置足夠?qū)挷拍軠蚀_測量，因此可以使用頻譜儀來測到未知信號的帶寬，然后再將Occupied bandwidth設(shè)置到channel power測量選件來測試總功率。

測量一個脈沖信號

脈沖信號的脈沖寬度（脈沖持續(xù)多長時間）與脈沖之間的時間（其周期）之比稱為占空比（DF，占空因子）。在給定重復(fù)脈沖的情況下，此類波形的峰值功率是平均功率除以DF。

圖4是脈沖信號的頻譜測量和平均功率計測量示例，脈沖寬度為20μs，DF為20%。

Figure4： （a）頻譜儀（b）功率計（c）頻譜儀的channel power測量選件

圖4a中的頻譜儀顯示了頻率函數(shù)的典型“sin（x）/x”響應(yīng)，頻域邊帶是1MHz。功率計得到的是平均功率-27.01dBm。頻譜儀的channel power測量選件得到的是平均功率為–26.8dBm（圖4c）。

對于頻譜儀channel power測量選件，Occupied bandwidth必須設(shè)置為3MHz及以上來抓大部分脈沖波形的邊帶。將Occupied bandwidth增加到3MHz以上不會改變測試結(jié)果。可以通過將power offset加7dB（10log（1/DF））來計算20%DF的此波形的峰值功率。

峰值功率是如何測量的

平均功率計的框圖（見圖5），峰值功率計與平均功率計的主要差別是峰值功率計的ADC具有更寬的帶寬和更高的采樣率，以抓到在脈沖和復(fù)雜調(diào)制波形中的快速時域跳變。

實際上，典型的峰值功率計會通過兩條測量路徑測量，分別測量平均功率和峰值功率。

Figure5： 簡單的峰值功率計測量框圖

由于二極管檢波器通常是寬帶的，因此脈沖波形的快速變化包絡(luò)會體現(xiàn)在二極管的輸出波形中，通過對二極管輸出電平進行轉(zhuǎn)換和補償即可得到瞬時功率。

在濾波器之后，峰值功率計的ADC以高達1G/s的速率對信號進行采樣（Keysight 8990等峰值功率計），如此高的采樣率用于抓二極管輸出電平的時域形狀，可以從中得到峰值功率、脈沖寬度、周期、上升時間和下降時間等信號特征，如圖6。

Figure6： 峰值功率計測量脈沖信號

總結(jié)：

1、功率計不能選擇頻率分量，只能測到進入功率計的總功率。

2、功率計的靈敏度不高，功率計能測到的最小功率基本在-50dBm~-70dBm（根據(jù)探頭類型不同），在測量小信號時不確定度較大，測到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多次平均和平滑。

3、頻譜儀不是專門測量功率的儀器，頻譜儀與功率計相比，功率測量精度較差。但是進行雜散或相鄰信道功率測量時，則選頻譜儀。

原文標題：連續(xù)波、多音、調(diào)制、脈沖信號|功率計和頻譜儀測量比較

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