用頻譜分析儀測(cè)量通信信號(hào)
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GSM信號(hào)的測(cè)量
現(xiàn)代高度發(fā)達(dá)的通信技術(shù)可以讓人們?cè)诘厍虻娜我獾攸c(diǎn)控制頻譜分析儀，因此就更要懂得不同參數(shù)設(shè)置和不同信號(hào)條件對(duì)顯示結(jié)果的影響。
典型的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)的信號(hào)測(cè)量如圖1所示,它清楚地標(biāo)明了重要的控制參數(shù)設(shè)置和測(cè)量結(jié)果。IFR2399型頻譜分析儀利用彩色游標(biāo)來加亮測(cè)量區(qū)域此例中被加亮的測(cè)量區(qū)域是占用信道和上下兩個(gè)相鄰信道的中心50kHz頻帶。
顯示的水平軸(頻率軸)中心頻率為900MHz,掃頻頻寬為1MHz,而每一小格代表l00kHz。頂部水平線表示0dBm,垂直方向每一格代表10dB。信號(hào)已經(jīng)被衰減了10dB,測(cè)量顯示的功率電平已考慮了此衰減。
圖1 GSM信道帶寬顯示和功率測(cè)量
GSM是以兩個(gè)25MHz帶寬來傳送的:從移動(dòng)發(fā)射機(jī)到基站采用890MHz到915MHz,從基站到移動(dòng)接收機(jī)采用935MHz到960MHz。這個(gè)頻帶被細(xì)分為多個(gè)200kHz信道而第50個(gè)移動(dòng)發(fā)送信道的中心頻率為900MHz,如圖1所示。該信號(hào)很明顯是未調(diào)制載波,因?yàn)樗念l譜很窄。實(shí)際運(yùn)用中，一個(gè)GSM脈沖串只占用200kHz稍多一點(diǎn)的信道帶寬。
按照GSM標(biāo)準(zhǔn),在發(fā)送單個(gè)信道脈沖串時(shí),時(shí)隙持續(xù)0.58ms,而信道頻率以每秒217次的變化速率進(jìn)行慢跳變,再加上掃頻儀1.3s的掃描時(shí)間,根據(jù)這些條件可以判定這是一個(gè)沒有時(shí)間和頻率跳變的靜態(tài)測(cè)試,沒有跡象表明900陽z的信號(hào)是間斷信號(hào)。
為了保證良好的清晰度,選用1kHz的分辨帶寬(RBW)濾波器。較新的頻譜分析儀中的模擬濾波器的形狀系數(shù)(3dB:60dB)為11,意思是60dB時(shí)濾波器帶寬(從峰值衰減60dB)是3dB時(shí)濾波器帶寬(從峰值衰減3dB)的11倍,即11kHz比1kHz。
與此相比,數(shù)字濾波器的形狀系數(shù)還不到5。例如一個(gè)3dB帶寬為50kHz的帶通濾波器,其60dB帶寬只有60kHz,這幾乎是矩形通帶。它保證在計(jì)算平均功率時(shí)只含有50kHz以外區(qū)域很小一點(diǎn)的功率。作為對(duì)比,如果分辨帶寬RBW 50kHz,使用前面提及的模擬濾波器而不是數(shù)字濾波器,其60dB帶寬將為550kHz。
標(biāo)記1處的信號(hào)電平是4.97dBm。為了使噪聲背景出現(xiàn)在屏幕上,顯示軌跡線已向上偏移了10dB(在圖中不易察覺),這是由于信號(hào)峰值被預(yù)先衰減10dB使其不超過頂部水平線,這也是信號(hào)峰值讀數(shù)比參考電平高的原因。
圖中,主信道功率(CHP)讀數(shù)為7.55dBm,與峰值(標(biāo)記1處)的讀數(shù)4.978m不一致,其原因就是主信道功率是在50kHz測(cè)量帶寬內(nèi)計(jì)算的,而標(biāo)記1的讀數(shù)是峰值。公式1定義了在整個(gè)帶寬內(nèi)計(jì)算主信道功率的方法。
其中,
CHPwr:信道功率,單位dBm
CHBW:信道帶寬
Kn:噪聲帶寬與分辨帶寬之比
N:信道內(nèi)象素的數(shù)目
Pi:以1mW為基準(zhǔn)的電平分貝數(shù)(dBm)
圖1中,分辨帶寬為1kHz,信道帶寬為50kHz。據(jù)式(1),先將在紅色游標(biāo)之間的每個(gè)像素功率電平(dBm)的對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)化成線性功率電平毫瓦(mW)并求其平均值,然后按照測(cè)量帶寬與分辨帶寬之比來修正該值,以求得信道功率電平。
對(duì)于帶有VGA顯示的頻譜分析儀來說,500個(gè)像素對(duì)應(yīng)水平軸的10個(gè)刻度。因此,在紅色游標(biāo)之間有25個(gè)像素,每個(gè)像素表示2kHz。(1)式的第二
表示50kHz測(cè)量帶寬內(nèi)線性功率電平的平均值。假設(shè)900MHz處的峰值只有一個(gè)像素寬,其峰值功率3.14mW除以25(像素?cái)?shù)),可得到功率平均值為0.126mW。
對(duì)于具有高斯響應(yīng)的有4或5個(gè)極點(diǎn)的安捷倫濾波器而言,噪聲功率帶寬與分辨帶寬之比為1.06,即Kn為1.06。假設(shè)IFR RBW濾波器與安捷倫RBW濾波器一樣,那么(1)式第一部分變?yōu)?0/1.06=47.2。最后結(jié)果為7.73dBm。
上述計(jì)算結(jié)果接近7.55dBm。在假設(shè)峰值只占有一個(gè)像素寬時(shí),為什么剛才計(jì)算的功率比顯示的功率大?這是因?yàn)榉逯悼赡苄∮?kHz,即小于一個(gè)像素的寬度。一些頻譜分析儀可將像素細(xì)分以得到更大的測(cè)量精度。這種情況下,很容易判斷出連續(xù)波占用的寬度小于1個(gè)像素所示的2kHz,比如1.8kHz。
如果像素被細(xì)分為10等份,則平均功率為3.14×1.8/2/25=0.113mW。此時(shí),主信道功率(CHP)等于7.27dBm。當(dāng)然50kHz以外區(qū)域的測(cè)量帶寬可提供一些功率,但是其單個(gè)像素寬的峰值被攤薄后,可下降達(dá)25dB,意思是該區(qū)域內(nèi)兩個(gè)或多個(gè)像素寬信號(hào)的功率將小于峰值功率1/300,所以不用加入總數(shù)里。
在數(shù)字系統(tǒng)里,很窄的連續(xù)波(單音信號(hào))的顯示和相關(guān)測(cè)量是有問題的,根據(jù)定義,一條線不能小于1個(gè)像素的寬度,可是,實(shí)際信號(hào)可能很窄。
最后一個(gè)影響顯示的參數(shù)是視頻帶寬(VBW),設(shè)為1kHz。它與RBW不同,RBW決定到達(dá)檢測(cè)器的信號(hào)能量,而VBW則處理被檢測(cè)電平的顯示。如果RBW比較大,那么就有更多的噪聲到達(dá)檢測(cè)器。選擇一個(gè)比RBW、窄的VBW可以使顯示平滑,但卻增加了掃描時(shí)間。對(duì)于某些信號(hào)的測(cè)量,快速掃描、寬的RBW、窄的VBW的組合是最適宜的。
選用比RBWW值小的VBW,則顯示的頻譜不能跟蹤檢測(cè)到的快速峰值,因而產(chǎn)生失真。而當(dāng)VBW值等于RBW時(shí),可看到平滑噪聲的功能降低,但減少的不是很多。圖1中,有意地減小了背景噪聲,這對(duì)所做的測(cè)量來說不是很重要。
頻譜分析儀指標(biāo)對(duì)測(cè)量的影響
最好的頻譜分析儀,也不是完美無缺的。諸如因?yàn)檩斎氲交祛l器的電平太大引起的信號(hào)壓縮、儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲、內(nèi)部振蕩器的相位噪聲、二次諧波失真以及三次、四次交調(diào)失真等,都會(huì)產(chǎn)生誤差。
例如,如果兩個(gè)功率相同,但頻率分別為f1和f2的信號(hào),驅(qū)動(dòng)一個(gè)完美的理想的線性放大器,那么就只有兩個(gè)原始頻率輸出。而現(xiàn)實(shí)的放大器是非線性的,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)頻率的多種組合,包括
2f1—f2,2f2—f1,3f1—2f2,3f2—2f1...
頻譜分析儀有點(diǎn)象非線性放大器,它的響應(yīng)可以用一個(gè)幕級(jí)數(shù)表示,
V0=a1Vi十a(chǎn)2Vi2+a3Vi3+…+anVin,
其中電壓為rms(有效值),Vi對(duì)應(yīng)混頻器輸入的電壓,V0對(duì)應(yīng)檢測(cè)電壓。
除了簡(jiǎn)單放大增益項(xiàng)a1以外,將產(chǎn)生多個(gè)高次項(xiàng)。若要增大頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍,處理好第三、第四階交調(diào)失真(IMD)項(xiàng)尤為重要。
對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試,現(xiàn)代頻譜分析儀提供了多種控制設(shè)置的組合,它們對(duì)測(cè)量精度的影響是不同的。例如,安捷倫E4440A型的自動(dòng)組合模式,包括RBW濾波器,VBW濾波器(不采用VBW=RBW),掃頻寬度及掃描時(shí)間,且根據(jù)輸入衰減設(shè)定了參考電平。
某文獻(xiàn)中建議的測(cè)量步驟,保證頻譜分析儀產(chǎn)生的交調(diào)失真(IMD)至少低于被測(cè)信號(hào)(DUT)本身18dB,意味著頻譜分析儀引起的失真對(duì)測(cè)量(DUT)失真的影響少于1dB。
圖2 CDMA信號(hào)偏移885kHz的動(dòng)態(tài)范圍圖
相鄰信道功率比(ACPR)或低電平IMD的測(cè)量要更困難,更需要注意頻譜分析儀的能力。圖2顯示了頻譜分析儀的熱噪聲、相位噪聲和第三、第五階交調(diào)失真與混頻器電平的關(guān)系。由于精確測(cè)量ACPR所需的動(dòng)態(tài)范圍接近或超出了很多頻譜分析儀的性能極限,所以必須全面考慮之后才有把握進(jìn)行正確測(cè)量。
CDMA信號(hào)的測(cè)量
CDMA信號(hào)類似噪聲。重要的是類噪聲的信號(hào)在理論上只選擇均值或有效值型的顯示檢測(cè)器。正負(fù)峰值讀數(shù)檢測(cè)器會(huì)使在測(cè)量范圍內(nèi)的每個(gè)像素值發(fā)生偏差,而采樣檢測(cè)器只接收由像素表示的掃頻范圍內(nèi)相應(yīng)一組幅度的最后一個(gè)值。
均值和有效值型檢測(cè)器的工作與信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性無關(guān),它能給出有良好重復(fù)性的結(jié)果。因?yàn)橐跍y(cè)量范圍里把所有像素的功率電平進(jìn)行平均得出平均功率,所以如果有足夠的像素的話,也可以用采樣檢測(cè)器,若要測(cè)量重復(fù)性達(dá)到隊(duì)1dB,則需要1000個(gè)像素。
由采樣或均值檢測(cè)器產(chǎn)生的像素值的平均值不那么簡(jiǎn)單明了,因?yàn)閿?shù)A、B、C的對(duì)數(shù)的平均不等于這些數(shù)的平均的對(duì)數(shù)。而有效值檢測(cè)器是比較常用的,因?yàn)樗峁┑木�性值可以被簡(jiǎn)單地平均。
避免采用小數(shù)量值的VBW可能很重要。這里用“可能”,因?yàn)槟承┢放迫绨步輦怭SA E4440A頻譜儀,VBW設(shè)置不影響有效值功率平均測(cè)量,對(duì)顯示線也沒有影響。小數(shù)值的VBW意味著顯示的頻譜不能正確跟蹤峰值。如果濾掉實(shí)際的隨機(jī)噪聲,則小值VBW就可以達(dá)到預(yù)想的平滑顯示。CDMA信號(hào)類似噪聲,但與噪聲的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)不同,所以它們不能被小值VBW平滑掉。
視頻平均的方法能對(duì)顯示的頻譜成功地進(jìn)行平均,是減小噪聲的另一種方法�？上У氖秋@示的頻譜通常是對(duì)數(shù)刻度,我們還得回過頭處理對(duì)數(shù)的平均。
分辨帶寬(RBW)等于30kHz,信道帶寬(CHBW)等于1.23MHz,Kn假設(shè)為1.06。因?yàn)橄噜徯诺拦β时?ACPR)有嚴(yán)格限制,要求選擇具有1%至P4%信道帶寬的RBW濾波器,以使得信道有很陡的下降沿,此處
30kHz/1.23MHz=2.4%。
因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)功率散布于整個(gè)的測(cè)量帶寬可根據(jù)公式1來計(jì)算發(fā)射信道功率，測(cè)振儀可以認(rèn)為在Co游標(biāo)之間每個(gè)30kHz RBW頻帶內(nèi)存在同樣的功率。
CDMA是一種寬帶技術(shù),并且在整個(gè)頻帶里同時(shí)存在全部功率。在這里使用CHBW/RBW的比值作為修正因子,似乎比在圖1中對(duì)窄帶信號(hào)的修正更加確切。
若CHBW等于1.23MHz,RBW等于30kHz,那么(1)式括號(hào)里的第一部分為38.70。第二部分是顯示功率的平均值,大約為18dBm或0.0158mW,剛好是目測(cè)到的脈沖頂部的平均值。
該值乘以38.7并轉(zhuǎn)化為dBm,所計(jì)算出的發(fā)射信道功率等于2.12dBm,這非常接近于發(fā)送信道功率1.65dBm,證明了上述觀點(diǎn)。作為驗(yàn)證,假設(shè)平均功率為17dBm,計(jì)算值對(duì)應(yīng)為1.12dBm,所以最好還是用18dBm。
當(dāng)R/R公司的FSU型頻譜分析儀用戶進(jìn)行ACPR測(cè)量時(shí),游標(biāo)和控制參數(shù)自動(dòng)設(shè)置。例如,相鄰信道和第一對(duì)備用信道的測(cè)量帶寬只有30kHz,而不是發(fā)射信道和第二對(duì)備用信道的1.23MHz的測(cè)量帶寬。從發(fā)射信道的中心到相鄰信道的邊緣的距離為885kHz,它等于保護(hù)帶寬270kHz與發(fā)射信道帶寬1.23MHz的一半相加的和。
一般說來,各個(gè)CDMA電話可以同時(shí)工作,這意味著在基站中可以出現(xiàn)發(fā)射頻譜的峰值,它是由各個(gè)用戶編碼信號(hào)的隨機(jī)疊加引起的。峰值與均值的比值可以大到12至14dB。盡管其平均功率仍在線性區(qū)域內(nèi),而峰值可以使混頻器進(jìn)入壓縮區(qū)。
因?yàn)樵贑DMA信號(hào)中有很多頻率出現(xiàn),所以對(duì)第三、第五階失真要特別關(guān)注。最后,還必須考慮相位噪聲,它對(duì)于IS95CDMA來說是個(gè)限制因素,但對(duì)于寬帶CDMA(WCDMA)來說,因測(cè)量ACPR給予了很大偏移量,就沒有那么重要。
結(jié)束語
當(dāng)選用頻譜分析儀時(shí),要根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目來選擇型號(hào)。例如具有特殊的時(shí)域測(cè)量能力的零頻寬操作適合于測(cè)量GSM和時(shí)分多址(TDMA)信號(hào),還能進(jìn)行時(shí)間門限和組合的上升/下降沿脈沖串測(cè)量。
頻譜分析儀是復(fù)雜儀器,為了保證頻譜純度,用了幾種中頻放大器,但每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生誤差、非線性和噪聲。部分避免這些問題的一種方法是使用實(shí)時(shí)采集寬帶數(shù)據(jù)、并用FFT(快速傅立葉變換)計(jì)算頻譜的頻譜分析儀。這種頻譜分析儀的信號(hào)路徑短,而且比許多掃描濾波頻譜分析儀有較大的動(dòng)態(tài)范圍。
測(cè)量ACPR可用時(shí)域方法,得出結(jié)果要比掃描頻譜分析儀快。曾有一篇文獻(xiàn)提出了一種速度,快20倍的方法,并可在信道中測(cè)量開關(guān)暫態(tài)晌應(yīng),這是掃描頻譜分析儀不能做到的。
在沒采取其它方法前,應(yīng)該相信頻譜分析儀的測(cè)量,只有完全理解了信號(hào)類型及電平和控制參數(shù)設(shè)置的影響,才能使測(cè)量更準(zhǔn)確。
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