使用矢量分析对RF进行有效测量
微波射频网整理 2022-11-24

随着宽带通信系统和其它高性能RF技术不断发展,测量系统也必须与之保持同步。过去,频谱分析对于大多数一般性应用来讲己经足够,矢量分析只用于更为特殊的测量中,如国防和信号监视场合。但矢量分析对测量快速移动的宽带与扩频信号非常重要,而且它在通用RF信号分析中也有很多优点,可以极大提高测量速度。

RP测量一般可分为三大类,即频谱分析、矢量分析和网络分析。频谱分析通常采用频谱分析仪,它能够提供基本测量,在许多通用场合是用得最多的RF仪器,特别是用这类仪器可以观察到功率与频率之间的相关信息,有时还能对AM、FM和PM之类的模拟格式进行解调。矢量仪器包括矢量或实时信号分析仪,这类仪器可分析宽带波形并从感兴趣的信号中捕获有关时间、频率和功率方面的数据。网络分析仪一般用于RF元件的S参数测量。

更专业的RF仪器称为“测试台”,针对特定的协仪或标准如蓝牙、GSM或802.11无线网络等做复杂测量。虽然价格昂贵,但它能够按指定标准一次性完成所有必要的测量,可加快测试程序的开发,不过一般情况下速度比通用仪器慢。由于这一原因,它更适用于设计和开发,而在制造测试环境下会给成本带来压力。

所有这些仪器——频谱分析仪、矢量分析仪、网络分析仪和测试台——为用户提供了不同的功能,它们要么建立在标量基础上要么建立在矢量结构上,各有优点和缺点。标量结构一般制造费用较低,在噪声和相噪声方面能提供优越的性能。但因为是一种窄带结构,它不太适合分析目前日益普遍应用的宽带信号;此外它只能对观察信号给出两维(功率与频率的关系)信息,而且一般比矢量结构要慢。

通信技术的发展

近十年来,宽带已越来越变成一个重要的考虑因素,对更宽带宽和更大容量的要求迫使通信系统从窄带向具有高数据率的宽带转移。我们先来看一看通信技术的发展情况。

多年以来AM和FM无线电及传统电话一直是最普遍使用的通信方式,这些系统的数据传输速率较低,需要的带宽也有限,例如电话为8kHz,FM无线电为200kHz。但我们如今正在向3G蜂窝系统方向发展,这一系统使用5MHz频带,而像蓝牙和IEEE802.11b无线网络技术均要占据80MHz频带,两者分别使用1MHz和22MHz信道,如此高的宽带与QPSK、FSK、GMSK和QAM等数字调制格式结合在一起,可以达到所要求的高数据率。

许多目前使用的通信技术已经存在多年,但一直仅限于军事和国防应用,很多调制方案、宽带发送器、扩频性能和RF发送与接收等都源于军事应用。如今随着在研究和开发领域的大量投资,以及半导体性价比大幅增长,复杂的RF性能也在商业领域中逐渐得到应用。RF技术现在已融入到多种产品中,从电话到汽车钥匙,而TV系统、卫星和电缆通信调制器之类的宽带应用也采用了RF技术。

通过矢量分析改进RF测量技术

为精确捕获和表征现代宽带系统,测量也需要从窄带测量设备向宽带矢量仪器转换,如果使用仪器的带宽等于或大于发送器带宽,就可以保证能捕获被测器件所有发送的信号。

虽然矢量仪器的价格一般高于标量仪器,但它能提供更快的测量速度,产生更复杂的信号。特别是矢量仪器比频谱分析仪之类的窄带仪器所使用的滤波器频带更宽,这样就减少了对滤波器进行重新调谐的次数,使矢量仪器能更快完成对整个频谱的扫描。矢量结构还能产生大多数通信系统所使用的调制波形之类的复杂信号。

当选择矢量仪器测量宽带信号时,需要同时考虑被测器件带宽和所有其它测量因素。例如你可能对分析仅有4MHz带宽的数字卫星信号感兴趣,但同时也必须测量相邻信道的功率,以确定发送器信号侵入其它服务运营商使用通道的功率符合政府规定的规范要求,对这种测量来说,矢量仪器的实时带宽至少应为器件带宽的三倍。

除了捕获宽带信号外,矢量仪器还能为测量应用提供许多其它重要优点。例如对一个跨度很大的频率范围进行频谱扫描或其它测量时,矢量分析仪很宽的实时带宽可以极大节省测试时间。像国家仪器公司的新型RF信号分析仪具有20MHz实时带宽,其测量速度是传统仪器的30~200倍。

对于各种通用频谱的采集,矢量仪器速度更快且测量次数更多,矢量分析仪能够采集到相位信息、幅值和频率,传统仪器一般做不到。你可以使用同一性能同时捕获和显示频率及时间信息,这对时间-频率分析和显示3D频谱图或瀑布图非常有用;另外还可以在I-Q或调制分析中使用带频率的相位信息,得到被测信号更为详细的视图,这些优点都使矢量分析仪比传统频率分析仪功能更为强大,更具灵活性。

图1是频谱分析仪采集到的调频信号的频谱,显示图里没有任何动态信息,既没有频谱变化率,也没有调制在载波上的内容信号。图2是矢量分析仪显示的频谱图,即输入信号的时间-频率分析图。这是一个动态信号频谱图,表现了FM波形随时间变化的关系,它使调制频率下的内容信号(这里为正弦波)清晰可见。传统频谱分析仪不能显示频谱图,所以不适合用来进行调制分析。

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