用頻譜分析儀測量通信信號
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GSM信號的測量
現(xiàn)代高度發(fā)達(dá)的通信技術(shù)可以讓人們在地球的任意地點(diǎn)控制頻譜分析儀，因此就更要懂得不同參數(shù)設(shè)置和不同信號條件對顯示結(jié)果的影響。
典型的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)的信號測量如圖1所示,它清楚地標(biāo)明了重要的控制參數(shù)設(shè)置和測量結(jié)果。IFR2399型頻譜分析儀利用彩色游標(biāo)來加亮測量區(qū)域此例中被加亮的測量區(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。信號已經(jīng)被衰減了10dB,測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)測試,沒有跡象表明900陽z的信號是間斷信號。
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),這是由于信號峰值被預(yù)先衰減10dB使其不超過頂部水平線,這也是信號峰值讀數(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。
對于帶有VGA顯示的頻譜分析儀來說,500個(gè)像素對應(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)的顯示和相關(guān)測量是有問題的,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)檢測器的信號能量,而VBW則處理被檢測電平的顯示。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。對于某些信號的測量,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,這對所做的測量來說不是很重要。
頻譜分析儀指標(biāo)對測量的影響
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,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)幕級數(shù)表示,
V0=a1Vi十a(chǎn)2Vi2+a3Vi3+…+anVin,
其中電壓為rms(有效值),Vi對應(yīng)混頻器輸入的電壓,V0對應(yīng)檢測電壓。
除了簡單放大增益項(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。
對于相對簡單的測試,現(xiàn)代頻譜分析儀提供了多種控制設(shè)置的組合,它們對測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)至少低于被測信號(DUT)本身18dB,意味著頻譜分析儀引起的失真對測量(DUT)失真的影響少于1dB。
圖2 CDMA信號偏移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)行正確測量。
CDMA信號的測量
CDMA信號類似噪聲。重要的是類噪聲的信號在理論上只選擇均值或有效值型的顯示檢測器。正負(fù)峰值讀數(shù)檢測器會(huì)使在測量范圍內(nèi)的每個(gè)像素值發(fā)生偏差,而采樣檢測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器的工作與信號統(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,也可以用采樣檢測器,若要測量重復(fù)性達(dá)到隊(duì)1dB,則需要1000個(gè)像素。
由采樣或均值檢測器產(chǎn)生的像素值的平均值不那么簡單明了,因?yàn)閿?shù)A、B、C的對數(shù)的平均不等于這些數(shù)的平均的對數(shù)。而有效值檢測器是比較常用的,因?yàn)樗峁┑木�性值可以被簡單地平均。
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量,對顯示線也沒有影響。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顯示的頻譜成功地進(jìn)行平均,是減小噪聲的另一種方法。可惜的是顯示的頻譜通常是對數(shù)刻度,我們還得回過頭處理對數(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)制信號功率散布于整個(gè)的測量帶寬可根據(jù)公式1來計(jì)算發(fā)射信道功率，測振儀可以認(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中對窄帶信號的修正更加確切。
若CHBW等于1.23MHz,RBW等于30kHz,那么(1)式括號里的第一部分為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,相鄰信道和第一對備用信道的測量帶寬只有30kHz,而不是發(fā)射信道和第二對備用信道的1.23MHz的測量帶寬。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信號中有很多頻率出現(xiàn),所以對第三、第五階失真要特別關(guān)注。最后,還必須考慮相位噪聲,它對于IS95CDMA來說是個(gè)限制因素,但對于寬帶CDMA(WCDMA)來說,因測量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)測量項(xiàng)目來選擇型號。例如具有特殊的時(shí)域測量能力的零頻寬操作適合于測量GSM和時(shí)分多址(TDMA)信號,還能進(jìn)行時(shí)間門限和組合的上升/下降沿脈沖串測量。
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量,只有完全理解了信號類型及電平和控制參數(shù)設(shè)置的影響,才能使測量更準(zhǔn)確。
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