利用下一代信号发生器 (信号源）保证高精度测量

如何提高测量时的幅度精度

信号发生器 (信号源）可以为各种元器件和系统测试应用提供精确而高度稳定的测试信号。在射频测试系统中，您可以将测量精度从信号发生器 (信号源）的输出端扩展至被测器件(DUT)。在仪器和被测器件之间的路径中，电缆、元器件和开关的特性可能会降低测量精度。

本文将帮助您提高在使用信号发生器 (信号源）进行测量时的幅度精度。在了解为什么幅度精度很重要以及如何优化幅度精度之前，让我们首先介绍一下射频功率测量的基础知识。

什么是“功率"？

国际单位制将瓦特 (W) 定义为功率单位；一瓦特等于每秒一焦耳，用于量化衡量能量传递速率。在直流和低频领域，电压和电流的测量非常简单，可以直接测量。功率 (P) 是电压 (V) 和电流 (l) 的乘积。

对于低频信号来说，电压和电流都会随时间发生变化。能量传递速率（瞬时功率）也会随时间发生变化。在图1中，瞬时功率(P)围绕周期（蓝色曲线）发生改变。通过对P曲线以下的面积进行积分运算，可以求取平均值。

图1．直流和低频功率测量

不过，随着频率的增加，电压和电流测量变得难以获得并且不切实际。相反，在大多数应用中，开始直接进行功率测量。图2显示了拥有相同电压电平、但是不同频率的三个连续波。Pi（绿色）是瞬时功率，它随时间而变化。Pavg（红色）代表着平均功率。

您可以看到，平均功率保持不变，并且与频率无关。对于高频信号，平均功率是一个良好的量化指标。让我们澄清一下针对射频测量功率的不同定义。

图2、从低频功率测量到高频功率测量

什么是“平均功率”?

随着频率的增加，阻抗将会变化。由于瞬时功率变化太快，没有实际意义，因此人们普遍使用“平均功率"，该术语可用于表示几乎所有射频和微波系统的功率。平均功率是跨越多个最低频率时间周期的平均能量传输速率。对于连续波(CW)信号来说，最低频率和最高频率是相同的，因此“平均功率"和“功率"也是相同的。对于幅度调制信号来说，功率必须是信号调制分量多个周期的平均值。

包络功率和峰值包络功率(PEP)

对于某些应用，工程师无需查看射频载波波形的细节，便可以检查调制或瞬态条件的影响。下面的图3显示了高频调制信号功率测量结果。上图是调制信号的电压包络。左下图中的绿色是信号的瞬时功率，红色是信号的平均功率。

与最高调制频率的周期相比，包络功率是通过在长时间周期内对功率进行平均而测量的，但是与载波的周期相比，包络功率的周期很短。右下方图3中的红色部分显示的是包络功率。最大包络功率称为“峰值包络功率”(PEP)，它是指定射频发射机的一个重要参数。

图3．高频调制信号的电压包络和功率包络

功率统计一互补累积分布函数

许多数字调制信号在时域和频域中看起来就像噪声一样。功率互补累积分布函数(CCDF)曲线有助于表征数字调制信号的更高级功率统计。您可以使用信号发生器 (信号源）的CCDF图来确定信号波形的峰均比(PAR). 如图4所示。信号波形为64 QAM，符号率为1 Msps，并使用RRC（根升余弦）基带滤波器波形。PAR为5.95 dB。如果输出幅度设置为0 dBm (平均功率)，PEP等于输出幅度加上PAR，即+5.95dBm。

PEP = Pout + PAR

其中，Pout是信号发生器 (信号源）上的幅度设置（平均输出功率）。

图4．来自KeysightN5182B信号发生器 (信号源）波形实用程序的CCDF图

什么是AM至AM压缩？

在理想情况下，放大器拥有恒定增益，因此，Pout与Pin呈线性关系。在高输入电平时，开始进入饱和或压缩（也称为AM到AM）区域。它将对基带IQ星座图造成压缩。

信号发生器 (信号源）的增益压缩

如果信号发生器 (信号源）的输出功率饱和，则不仅会影响输出功率电平精度，还会由于AM至AM压缩影响调制质量。对于PAR信号，信号发生器 (信号源）的幅度电平设置不能大于其最大输出功率（即PEP)减去峰均比。例如，信号发生器 (信号源）的最大输出功率为+18 dBm。该信号的PAR为10 dB。则您在信号发生器 (信号源）上所使用的最大幅度设置（平均功率）为+8 dBm（18 – 10 = 8）。这可以防止信号发生器 (信号源）的功率放大器饱和。

何时使用CCDF?

CCDF曲线是表征数字调制信号功率分布的优秀工具，能够适用于许多设计应用。

• 显示调制格式的影响。

• 通过系统组件合并多个信号。

• 评测扩频系统（例如CDMA)。

• 设计和测试射频元器件。

技术指标对功率有什么规定？

在射频测试中，最大输出功率是每个信号发生器 (信号源）的基本特性。信号发生器 (信号源）在提供大输出功率的同时，还必须能够保持频谱纯度和电平精度。让我们仔细观察一下信号发生器 (信号源）的幅度技术指标。

最大输出功率

下面的表1显示了Keysight MXG/EXG信号发生器 (信号源）的最大幅度技术指标。当您阅读这个表格时，有几个要点要注意：

1. 可设置范围不是信号发生器 (信号源）的实际输出范围。使用输出偏置，信号发生器 (信号源）可以输出偏离（正或负）输入值的幅度。这意味着您可以利用放大器或衰减器扩展输出范围。

显示的（可设置）幅度电平 = 输出电平 + 幅度偏置

2. 此输出幅度受频率范围和工作温度的影响。

3. 步进衰减器（5dB步长）提供粗略的功率衰减以实现低功率电平。ALC（自动调平控制）电路可以在衰减器的保持范围内对功率电平进行微调。

注1：20°C -30°C 之间引用的技术指标。对于超出该范围的温度，最大输出功率一般每°C降低 0.01 dB。

表1．输出参数的幅度技术指标和最大输出功率

幅度精度

信号发生器 (信号源）的幅度精度是指信号发生器 (信号源）的输出幅度符合其设定幅度的程度。幅度精度通常在频率和温度范围内指定。之所以指定温度范围，是因为信号发生器 (信号源）通常在温控环境中进行校准。工作温度偏离信号发生器校准时的温度越多，幅度精度就会越差。

如上所述，信号发生器 (信号源）的输出范围是由衰减器和 ALC 电路决定的。输出功率越低，所需的衰减器越多。每个衰减器都会带来一些不确定度。表2显示幅度精度受频率范围和幅度电平的影响。

有些调制条件可能是ALC电路无法处理的，这会导致输出电平产生误差。在这些条件下，可以通过断开 ALC 和使用功率搜索来实现功率电平精度。当与脉冲宽度小于 2 微秒的脉冲调制和某些外部 I/Q 调制结合使用时，ALC断开功能非常有用。

表2、Keysight MXG 信号发生器 (信号源）的绝对电平精度

图5：ALC反馈电路的简化方框图

什么是 ALC？

ALC电路的用途是，即使遇到温度变化引起的漂移，也能将输出功率保持在预定水平。使用定向耦合器和功率检波器来测量输出射频功率。将检测到的功率电平反馈回ALC系统，以便调节ALC调制器，从而保持精密控制的功率电平。

为何幅度精度很重要

接收机灵敏度测试能够确定接收机是否能够探测处于或低于指定功率电平的微弱信号。在这种情况下，测量结果对信号发生器 (信号源）的电平非常敏感，并且信号发生器 (信号源）的幅度精度技术指标非常关键。

例如，某个接收机的指定灵敏度电平为-110 dBm。此接收机灵敏度测试仅能接受灵敏度足够的接收机，以便检测信号强度为-110 dBm或更低的传输信号。如图6所示，六个被测器件的接收机灵敏度电平各不相同。为确保没有故障单元通过灵敏度测试，您需要将输出电平设置得更低，并考虑信号发生器 (信号源）的幅度精度。

例1：信号发生器 (信号源）的幅度精度为±5dB0输出幅度需要设置为 -115 dBm。实际输出电平高1dB, 为 -114 dBm。您可以看到在六个被测器件中，有五个测试不合格。

例2：信号发生器 (信号源）的幅度精度为 ±1dB。输出幅度需要设置为 -111 dBm。实际输出电平低1 dB, 为 -112 dBm。您可以看到在此例中，只有两个被测器件测试不合格。

事实上，在这六个被测器件中，只有一个不合格。信号发生器 (信号源）的幅度精度越高，需要的重复测试次数就越少。

图6．不同等级幅度精度下，接收机灵敏度测试的结果对比

测量应用

降低失真

为了提供大输出功率，可以使用可选译的谐波滤波器来降低谐波电平，使用ALC电路来校正失配和频率响应。高性能、低失真的功率放大器至关重要。

大输出功率

您通过添加大功率放大器希望提高输出功率，但同时大功率放大器也会降低频谱纯度，并降低信号发生器 (信号源）的失真性能。

频谱纯度

为信号发生器 (信号源）添加大功率放大器，将会增加宽带本底噪声。当您测量信号发生器 (信号源）的相位噪声时，在偏离载波频率1 MHz以外的位置会出现宽带噪声。此外，由于增益平坦度和阻抗发生变化，放大器还会影响杂散性能。对于数字调制信号，宽带噪声会降低调制质量。

失真性能

功率放大器是导致射频信号发生器 (信号源）出现非线性失真的主要原因。这个失真包括谐波失真和互调失真。这两种类型的失真造成了信道内、频段内外出现多余的频谱信号。这些非线性失真降低了信号发生器 (信号源）在杂散、调制质量和频谱再生等方面的性能。

小输出功率

对于小输出功率，衰减器精度是最重要的特性。输出功率电平越低，幅度精度越低。这是因为需要结合使用几个衰减器，才能实现更高的衰减，但每个衰减器都会引入误差。

在输出极低幅度的信号时，信号发生器 (信号源）的内部噪声就变得非常重要。系统的本底噪声越低，信噪比（SNR)就越高。SNR较低，会导致接收机灵敏度测量的准确性下降。

除了系统本底噪声之外，干扰信号也是超低幅度信号的一个重要误差来源。通常的做法是将被测器件置于屏蔽环境中，将干扰信号阻挡在外面。

超出输出范围

射频信号发生器 (信号源）能够输出高达+25dBm,低至．120dBm的功率。如果您需要输出的功率超出这个规定范围，则可以使用放大器增大输出功率，或使用衰减器降低输出功率。当您扩大信号发生器 (信号源）的输出范围时，需要考虑两个重要因素。

1. 放大器增益不确定度会影响输出幅度电平。

2. 衰减器平坦度和精度性能。

优化幅度精度的最佳方法

当您将外部放大器、衰减器或其他无源附件与信号发生器 (信号源）搭配使用时，有几种方法可以优化幅度精度。第一种常用方法是使用矢量网络分析仪(VNA)来测量整个信号路径，并将校正值输入信号发生器 (信号源）。另外，使用新型信号发生器 (信号源）的内置功能，也有几种方法可以提高幅度精度。

使用平坦度校正

通过用户平坦度校正，可以对射频输出幅度进行调整，以补偿电缆、开关或其他器件的外部损耗。使用功率计/传感器来校准测量系统，可以自动创建一个功率电平校正表格。

USB功率传感器可以直接连接到信号发生器 (信号源）。信号发生器 (信号源）可用作功率计，在测试面上测量功率。校正值可以保存到信号发生器 (信号源）的存储器中。在下一次使用相同的测试配置时，您可以调回并应用这些校正值。下面的图7显示了使用信号发生器 (信号源）和USB功率传感器进行平坦度校正的设置。

图7、使用USB功率传感器进行平坦度校正

使用外部调平

外部调平可以让您将ALC反馈源移动到距离被测器件更近的位置，这样可以消除测试装置中连线和元器件固有的大部分功率不确定度。

图8 用于外部调平的测试设置

随着功率耦合器/分配器输入端的射频功率电平发生变化，外部检波器会返回补偿负电压。ALC电路使用这个负电压来提高或降低信号发生器 (信号源）的功率，从而对射频输出功率进行调平。这样可以确保功率耦合器/分配器输入端保持恒定的功率电平。

了解、表征和校正射频信号路径

射频信号发生器 (信号源）用于测试射频元器件、接收机、发射机和系统。幅度精度通常是射频测试系统的一个关键技术指标。本文概括介绍了射频功率的基础知识以及幅度精度为何如此重要的原因，并提供了表征信号和校正幅度平坦度的工具。

最好的办法就是将您的经验、洞见和创意与信号发生器 (信号源）和测量软件紧密结合起来。这样，您将能够轻松创建所需信号，从而高效地测试您的被测器件。