模擬和矢量信號源進階使用技巧

面包板社區 2022-03-13 19:59

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通常射頻信號源的簡單應用通常只是輸入頻率、功率，加上一些模擬、數字調制，然而要充分挖掘出信號源的潛力和性能需要更多的技巧。本應用指南會告訴您可以通過更多的方式提高射頻信號源輸出信號的質量，具體內容包括：

1.??提高功率精度
2.??提高頻率精度
3.??提高源匹配度
4. ?TOI（三階交調）測量：如何合成兩個CW信號并保持足夠的隔離度
5.??減小諧波失真
6.??提高信噪比
7.??LTE測試中EVM與ACLR指標的優化
8.? 減小衰減器切換的磨損

一個典型的模擬信號源的結構圖如下所示。本文所涉及的射頻信號源不僅包括模擬信號源，還會聊到矢量信號源。

1.??提高功率精度

如下圖1所示，信號源從端口輸出的信號，通常會經過一些無源器件（如射頻線纜、濾波器、同軸轉接頭或者開關、放大器）才到達DUT。因此，到達DUT的信號功率的精度就會受到這些器件衰減或放大。在一些測量應用中，比如接收機靈敏度測試，輸入到DUT的信號功率的精度是影響靈敏度測量精度的關鍵要素。

圖1. 信號源輸出信號設置

為了保證輸入到DUT的功率是預期值并保證精度，通常會如下圖2所示，用功率計（功率測量的不確定度較小）或者頻譜儀（功率測量的不確定度較大）測量每一個頻點所對應的功率的損耗（偏移），把這個損耗（偏移）補償到信號源里。具體的實現方法是，如果功率計的讀數和信號源的設置功率有差值，那么就把這個差值補償到信號源的功率偏移功能里，每一個頻率點對應一個功率偏移值。當信號源輸出指定頻率的指定功率時，信號源會自動提高偏移值大小的輸出功率，從而補償功率的損耗。但是，這種方法的明顯缺點在于，每個頻點對應的功率損耗都不同，要做到精確補償和每個頻點補償值的手動輸入很麻煩。

圖2. 功率計測量信號源輸出信號

為了提高效率和精確度，信號源提供了User Correction (UCOR)功能，通過設置一張指定頻點的補償表格，功率探頭會將功率損耗或增益（統稱為偏移量，用正負表示）自動填充到表格中。

?圖4

信號源輸出的功率不是理想恒定的，而是隨著時間和溫度的變化有波動。雖然信號源內部有自動電平控制電路（ALC）來減小這種波動，但是對電平精度要求很高的應用（如計量），就需要找到可溯源和定標方法進一步實時監控并補償減小電平波動。User Correction (UCOR)功能雖然能補償電平，但是無法做到實時，當表格寫好之后，就無法實時補償隨著溫度引起的電平變化。

信號源都配備了閉環電平控制功能（Closed loop power control），如下圖所示。需要借助一個定向耦合器通過耦合臂耦合一部分功率給功率探頭，功率探頭事先把該定向耦合器的耦合度的S參數下載到功率探頭的內存中，然后實時計算不同的頻點的真實功率，通過數據線反饋給信號源。信號源根據功率探頭的每次實時測試結果數據來調整電平，補償電平的波動。

2.??提高頻率精度

信號源的輸出信號頻率的精度分為絕對精度和相對精度兩種。

絕對精度可以使用更精準、老化率更低的參考時鐘源來提高。信號源都標配了一個普通的參考時鐘源，另外可以選配高精度的恒溫晶振來作為參考時鐘源，如R&S SMBV提供B1和B1H兩種參考時鐘源的頻率誤差和年老化率和標配的相比都大幅度降低。

此外，信號源的外參考輸入連接到GPS時鐘或者高穩定度原子鐘（銫鐘、銣鐘）也可以大幅度提高頻率絕對精度。

相對精度是指多個信號（例如多CW信號）的相對頻率間隔的精度。假設兩臺信號源分別產生一個CW信號，中心頻率1GHz，頻率間隔1MHz。信號源的內部時鐘的老化率通常是±1×10^-6/年，那么在這種情況下，1GHz×1×10^-6= ±1000Hz因此，兩個CW信號的頻率間隔實際上可能是1MHz±(2×1000Hz) =998kHz或1200kHz。為了提高頻率間隔的精度，把兩臺信號源的參考時鐘連在一起，即一臺信號源輸出參考時鐘給另外一臺。這樣，頻率間隔的精度可提高到1MHz×1×10^-6=1Hz。

3.??提高源匹配度

許多DUT的端口匹配不好，因此源匹配至關重要。信號源與負載的阻抗失配會使輸入到DUT的信號有效功率改變。DUT通常很少直接連接到信號源輸出端口，而是通過射頻線纜和其它器件（如適配器、濾波器）。如果使用適配器進行接頭類型轉換或者濾波器進行諧波抑制，這些器件會降低源匹配。負載的反射波會在源和負載之間形成多次反射，從而輸入到待測件功率的不確定度增大了。

為了減小失配的影響，最簡單的方法就是在信號源和DUT之間插入一個固定值衰減器，這會提高源匹配于兩倍衰減器的值。具體的計算過程如下所示：

沒有衰減器插入時，失配誤差為0.67dB。

當插入一個6dB的衰減器，失配誤差降低為0.17dB。

4. TOI測量

當把兩個信號源輸出的CW信號通過外部合路器合路成雙音信號送入待測設備進行TOI測量時，兩臺信號源互相的隔離度是非常重要的。

如果信號源互相的隔離不好，信號源會通過ALC環路互調產生新的互調產物，從而無法測量到DUT的互調性能。如下圖所示。所以建議在ALC中選擇OFF，關閉ALC。

因此，每一個信號源輸出都希望是良好的50歐姆匹配。當使用阻性合路器時，只有兩個端口有電阻的合路器不能在三個端口都提供50歐姆的輸入阻抗匹配。使用每個端口都有電阻的合路器，而不是只有兩個端口有電阻的合路器，如下左圖所示。此外，每個端口都有電阻的合路器在信號輸入端口還提供6dB的隔離度。或者使用下右圖所示的威爾金森合路器。

5.?減小諧波失真

進行準確的諧波測量需要信號失真度很小的信號源和頻譜儀。信號源的諧波和頻譜分析儀的動態范圍是影響的主要因素，通常信號源的諧波是瓶頸--一般信號源的諧波抑制度在-30dB左右。

減小信號源諧波的傳統方法是使用一個低通濾波器--通過選擇截止頻率來濾除諧波、保留基波。然而，這種方法最大的缺點就是低通濾波器的戒指頻率一般是固定不可調的，要實現在不同頻點進行濾波不現實。

為了更有效靈活的減小諧波，就要進一步深入分析諧波產生的源頭。從信號源的結構上來看，產生和消除諧波的主要有三部分。而OPU電路是諧波抑制度變差的源頭。諧波主要由OPU產生，隨著OPU輸出功率的增大而增大。

① 頻綜：產生諧波的源頭(VCO, amplifiers in compression, divider stages)
② 諧波濾波器：濾除頻綜的諧波，諧波小于-80 dBc
③ OPU（output uint，功率放大器+ALC環路+衰減器組）：諧波抑制變差，-40 dBc

分析OPU的工作機制，功率放大器和衰減器組的功能是聯動調節使得信號源功率輸出的動態范圍在+30dBm到-145dBm改變。通常情況下，信號源OPU并沒有工作于固定輸出功率狀態，而是配合衰減器在一定范圍內調整輸出功率，以得到合適的儀表輸出功率，如下圖所示。

從OPU的工作方式可以找到降低諧波的方法，如下圖所示：

① 設置輸出功率比想要的輸出功率高10~15dB，那么步進衰減器的衰減值會減小，這時把衰減器的“Mode”改為“Fixed”從而固定衰減器的衰減值；

② 再減小功率到想到的輸出功率。

以上是手動調整，信號源在“RF BLOCK”中也提供“Low Distortion”模式來自動完成上述的手動調整過程，但精細的調整仍需要手動完成。

雖然降低了諧波，但是帶來的缺點也是不可忽視的。首先寬帶噪聲惡化，另外電平準確度也降低。

6.?提高信噪比

上一節講到利用OPU和衰減器組的工作特性減小輸出信號的諧波，那么從另一方面，也可以以增大諧波為代價，提高信號的信噪比。

① 設置輸出功率比想要的輸出功率低10 ~15 dB，那么步進衰減器的衰減值會增加，這時把衰減器的“Mode”改為“Fixed”從而固定衰減器的衰減值；

② 再增加輸出功率到想到的輸出功率。但諧波功率會增大。

以上是手動調整，信號源在“RF BLOCK”中也提供“Low Noise”模式來自動完成上述的手動調整過程，但精細的調整仍需要手動完成。

7.??EVM與ACLR指標的優化

矢量信號源的EVM和ACLR指標一般在datasheet中會給出指標值。在R&S高端矢量信號源SMW200A的datasheet里，以特定的WCDMA test model為測試信號給出了EVM和ACLR的最優保證值，但其它類型的信號是否也能達到這樣的指標呢？答案是不一定的，需要用戶自己調整和優化。

影響信號源產生的信號的EVM和ACLR的主要因素主要有如下三點，EVM與ACLR是相互決定、制約的關系，不可兼顧。

1)??調制方式和峰均比
2)??發射濾波器類型和滾降因子
3)??信號源自身的非線性特性（如基帶信號畸變或射頻發射功率）

與WCDMA和CDMA2000在協議中規定了使用何種濾波器不同，LTE標準并沒有在協議中指定一個特定的發射濾波器類型，而是允許根據應用場景使用不同的濾波器來達到更優的EVM還是更優的ALCR。

在R&S矢量信號源SMW200A中，LTE選件提供了三種不同的濾波器以滿足不同的優化目標。

LTE將OFDM符號組裝成子幀，最終形成一幀LTE信號。但在前后兩個OFDM信號之間存在相位不連續的情況，而相位不連續會出現頻譜泄漏，會影響信號的ACLR特性。R&S信號源LTE選件提供時域窗功能對信號進行平滑以優化ACLR特性。但過度的時域窗平滑會導致OFDM符號的EVM惡化，以犧牲EVM為代價的。