【科普贴】4GHz带宽信号的正确打开方式
带宽在射频微波系统中是一个经久不息的话题。众所周知在通信系统中的香农公式描述了在高斯白噪声背景下连续信道的容量（b/s）。其中：B为信道带宽（Hz）；S为信号功率（W）；n0为噪声功率谱密度（W/Hz）；N为噪声功率（W）。由此可以看出信号的带宽与通信信道的容量是正相关的关系。比如在IEEE802.11ay覆盖频宽高达8.64GHz，从而在version 2.0版本中目标速率实现了176Gbps(即22GB/s)的超高速度，因此使用矢量信号源产生宽带信号对于通信等测试是非常有意义的。
图1 Wi-Fi速率拓展图
以现代雷达系统为例，在雷达系统中雷达距离分辨率ΔR=c/(2B)。其中c是光速，B是雷达信号的带宽，可以通过增大发射信号的带宽，从而获得很高的距离分辨力以激励出目标的细节特征。因而使用矢量信号源产生宽带信号对于雷达测试也具有十分重要的现实意义。但受电路工艺和速度的限制，单通道矢量信号源产生的信号带宽极为有限，难以满足现代高分辨率雷达对带宽的要求，而采用多路拼接的方法不失为一种解决问题的有效途径。
多路拼接就是把多个信号通道产生的窄带信号拼接成一个宽带信号的方法，理想的拼接如图2所示。假设2个通道的线性调频信号带宽都是2GHz，时间长度均是1us，把2路信号相加，得到的就是带宽4GHz，时间长度2us 的线性调频信号。综上所述，拼接不仅要求时域上的首尾拼接，而且要求频域上的前后拼接，因此拼接的边沿连续性就成为对所拼接信号质量最重要的影响因素。
多路拼接原理
由于实际硬件的影响，拼接过程不可能完全像图2那样的理想。各个通道信号的幅度不一致，频率与相位不连续，拼接过程中时间不连续都会对拼接出的信号质量造成影响，使信号产生相应的失真。
为了说明多路带宽拼接过程的幅度不一致，频率与相位不连续，拼接过程中的时间不连续对拼接出的信号质量的影响进行仿真，并对拼接出来的信号做脉冲压缩处理，观察脉冲压缩以后的效果。产生双路线性调频信号，每路带宽都是2GHz，时间长度都是1us，幅度都是1V。第一路是0~2GHz，0~1us，第二路是2~4GHz，1~2us。理想拼接以后的信号是带宽4GHz，时间长度2us的线性调频信号。
频带1
频带2
双路信号经过 理想拼接 以后的结果
和信号做脉冲压缩后的效果
如下图：
幅度不一致会导致信号频谱存在分段不均衡，使幅度谱不平坦。
幅度差异越大，不均衡性越大。经过脉冲压缩以后，信号边沿出现锯齿，锯齿的位置出现在拼接的边沿处，随着基带信号幅度不一致的加大，锯齿的幅度将会加大。且随着幅度不一致的加大，主瓣副瓣之比会进一步的下降。
时间上的不连续会在信号频谱上引起毛刺，毛刺出现在频谱中拼接的边沿。
并且随着时间不连续的加大，毛刺的幅度越大。经过脉冲压缩以后，信号边沿出现锯齿，锯齿出现的位置在拼接边沿处。随着时间间断的加大，锯齿的幅度将会加大这是由于时间不连续使信号能量在不同的时间点上累加到最大而造成的结果。
当相位不连续会在信号的频谱上引起毛刺，毛刺出现在频谱中拼接的边沿。
毛刺的幅度在相差从0°增大到180°的过程中逐渐增大，到180°相差时，毛刺幅度最大。在从180°增大到360°的过程中逐渐减小。经过脉冲压缩以后，信号边沿出现锯齿，锯齿的位置出现在拼接的边沿处。
频率不连续导致拼接后信号频谱出现断裂，频率间隔越大，断裂越严重。
经过脉冲压缩以后，随着频率不连续的加大，主瓣副瓣之比逐渐减小。
由上述的仿真可以看出在实际的拼接过程中这四种因素的影响都需要进行修正，但如果真的在带宽拼接过程中进行手动参数修正，不但过程繁琐，而且效果不佳。
在实际的信号带宽的拼接中， 一种实用的方法是叠加中心频率彼此接近的射频信号 。 调制基带信号的带宽重叠。图9说明了两个相邻基带信号频带A（带宽 f BW A ，中心频率 f c A ）和频带B（带宽 f BW B ，中心频率 f c B ）的叠加。
A = 频段 A
B = 频带 B
f BW A = 带宽 A
f BW B = 带宽 B
f BW = 频段 A 和频段 B 拼接的扩展带宽
f c A = 中心频段 A
f c B = 中心频带 B
f c = 频段 A 和频段 B 拼接后的中心频率
f OL = 频段 A 和频段 B 之间的带宽重叠
理想情况下，所得基带信号在中心频率fc 处具有扩展带宽
f
BW
=
f
BW A
+
f
BW B
。参考前面的分析结果，实际上，相干干扰效应发生在带宽重叠fOL处，并导致fc处的信号电平下降。为了补偿信号电平下降，添加了相位修正，以便所得频带A+B的信号电平在整个带宽范围fBW上保持恒定。为了简单高效实现相位修正，R&S SMW-K555可以通过与功率计传感器或者频谱仪通信的方法自动进行相位的修正。
A+B = 已修正重叠的扩展带 A+B
f BW = 频段 A 和频段 B 拼接的扩展带宽
fc A = 中心频段 A
fc B = 中心频带 B
fc = 频段 A 和频段 B 拼接后的中心频率
单台R&S SMW200A 实现信号带宽的 拼接扩展的配置要求：
双通道SMW200A（配有SMW-B1006/B2006频率选件(或更高的频率)）；
1x K703 100 MHz, 1 GHz参考信号输入/输出选件；
2x B9 宽带基带选件；
2 GHz RF 调制带宽(2x SMW-K527) ；
1x SMW-K555 带宽扩展选件；
SMW-ZKK: 带宽扩展配件；
修正所用到的配置：
静态修正：1 x R&S FSW信号与频谱分析仪（FSW-B2001 /-B4001选件）或1 x NRP功率计传感器；
实时修正：1 x R&S FSW信号与频谱分析仪（FSW-B2001 /-B4001选件）或1 x NRP功率计传感器；1x定向耦合器；
单台双通道SMW200A
进行带宽扩展的配置
测试配置1：
R&S SMW200A 和功率传感器
BW 1 = 路径 A 输出信号的带宽
BW 2 = B 路输出信号的带宽
Σ BW = 组合路径 A 和路径 B 输出信号后的扩展带宽信号
+ = 功率合成器
Coupler = 定向耦合器
Power sensor = R&S NRP 系列传感器
sensor = R&S SMW 和功率传感器之间的连接
测试配置2：
R&S SMW200A 和频谱仪
BW 1 = 路径 A 输出信号的带宽
BW 2 = B 路输出信号的带宽
Σ BW = 组合路径 A 和路径 B 输出信号后的扩展带宽信号
+ = 功率合成器
Coupler = 定向耦合器
Analyzer = 矢量信号分析仪，例如 R&S FSW
LAN = R&S SMW 和矢量信号分析仪之间的连接
两台单通道SMW200A
也可以进行带宽扩展 ，
实现4GHz的信号带宽，
此时各台SMW200A均需要配备
SMW-K555带宽扩展选件。
测试配置3：
两台R&S SMW200A 和功率传感器
R&S SMW 1 = 主 R&S SMW
R&S SMW 2 = 从 R&S SMW
BW 1 = 主 R&S SMW RF 输出信号的带宽
BW 2 = 从 R&S SMW RF 输出信号的带宽
Σ BW = 组合路径 A 和路径 B 输出信号后的扩展带宽信号
+ = 功率合成器
Coupler = 定向耦合器
Power Sensor = R&S NRP 系列传感器
SENSOR/Host = R&S SMW 和功率传感器之间的连接
ADV TRG/CLK = 用于同步主从 R&S SMW 的连接
1 GHz Out/1GHz In = 主 R&S SMW 和从 R&S SMW 之间的连接参考信号
测试配置4：
两台R&S SMW200A 和频谱仪
R&S SMW 1 = 主 R&S SMW
R&S SMW 2 = 从 R&S SMW
BW 1 = 主 R&S SMW RF 输出信号的带宽
BW 2 = 从 R&S SMW RF 输出信号的带宽
Σ BW = 结合主从 R&S SMW 后的扩展带宽信号
+ = 功率合成器
Coupler = 定向耦合器
Analyzer = 矢量信号分析仪，例如 R&S FSW
LAN = R&S SMW 和矢量信号分析仪之间的连接
ADV TRG/CLK = 用于同步主次 R&S SMW 的连接
1 GHz In/1 GHz Out/Ref In = 主要、辅助 R&S SMW 和分析仪之间的连接参考信号
User 1/Trig In = 用于触发主 R&S SMW 和分析仪之间设置对齐的连接
设置好信号源之后我们就可以继续进行信号的修正工作 ， 由之前线性调频的带宽扩展原理分析，频谱仪和功率传感器可以对幅度的不一致进行修正；通过1GHz参考信号和频谱仪可以对频率的不连续进行修正；频谱仪可以对时延的不一致（也就等价于相位的不连续）进行修正；信号源的内部触发信号和信号源间的触发信号可以对时间的不连续进行修正。上述图中所进行的配置是可以实时对信号进行修正的，如果没有定向耦合器时可以只在测试开始前进行静态的修正，即功率合成器的输出直接连接频谱分析仪或者功率传感器，当修正过程完成后，断开功率合成器与频谱分析仪或者功率传感器的连接，再连接DUT进行测试，实时校准可以随时对于幅度、频率、时延（相位）的误差进行实时修正。
测试开始之前的静态的修正
测试中的实时修正
设置及修正完成之后R&S SMW200A的状态
在使用R&S SMW200A进行带宽扩展功能时，信号源可以产生多种的2~4GHz带宽的信号，其中包括：Arb任意波形信号、5G载波聚合、5G NR Beyond R17、DVB-S2 / DVB-S2X、自定义数字调制信号、多载波连续波(MCCW)信号、自定义OFDM信号生成、IEEE 802.11ad/ay信号等等。
对于4GHz带宽信号的分析一般采用分析带宽可以达到4GHz的信号与频谱分析仪来进行，比如R&S FSW信号与频谱分析仪。FSW可以提供4.4GHz、6.4GHz、8.312GHz的超宽分析带宽，可以轻松分析由R&S SMW200A带宽扩展后产生的各种4GHz带宽的信号。
R&S FSW信号与频谱分析仪
现在我们展示一些由R&S SMW200A带宽扩展后产生的4GHz带宽的信号的测试结果：
频率10GHz，符号速率4GHz的16QAM信号
频率10GHz，符号速率3.2GHz的QPSK信号
频率10GHz，调频斜率10MHz/us的线性调频信号
频率10GHz，载波数量160001的多载波信号
频率65.88GHz，带宽4.32GHz的802.11ay信号
罗德与施瓦茨业务领域
京公网安备 11010802033920号