模拟和矢量信号源进阶使用技巧

面包板社区 2022-03-13 19:59

【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 如何提升高压系统的实时性能?

通常射频信号源的简单应用通常只是输入频率、功率，加上一些模拟、数字调制，然而要充分挖掘出信号源的潜力和性能需要更多的技巧。本应用指南会告诉您可以通过更多的方式提高射频信号源输出信号的质量，具体内容包括：

1.  提高功率精度
2.  提高频率精度
3.  提高源匹配度
4. TOI（三阶交调）测量：如何合成两个CW信号并保持足够的隔离度
5.  减小谐波失真
6.  提高信噪比
7.  LTE测试中EVM与ACLR指标的优化
8. 减小衰减器切换的磨损

一个典型的模拟信号源的结构图如下所示。本文所涉及的射频信号源不仅包括模拟信号源，还会聊到矢量信号源。

1. 提高功率精度

如下图1所示，信号源从端口输出的信号，通常会经过一些无源器件（如射频线缆、滤波器、同轴转接头或者开关、放大器）才到达DUT。因此，到达DUT的信号功率的精度就会受到这些器件衰减或放大。在一些测量应用中，比如接收机灵敏度测试，输入到DUT的信号功率的精度是影响灵敏度测量精度的关键要素。

图1. 信号源输出信号设置

为了保证输入到DUT的功率是预期值并保证精度，通常会如下图2所示，用功率计（功率测量的不确定度较小）或者频谱仪（功率测量的不确定度较大）测量每一个频点所对应的功率的损耗（偏移），把这个损耗（偏移）补偿到信号源里。具体的实现方法是，如果功率计的读数和信号源的设置功率有差值，那么就把这个差值补偿到信号源的功率偏移功能里，每一个频率点对应一个功率偏移值。当信号源输出指定频率的指定功率时，信号源会自动提高偏移值大小的输出功率，从而补偿功率的损耗。但是，这种方法的明显缺点在于，每个频点对应的功率损耗都不同，要做到精确补偿和每个频点补偿值的手动输入很麻烦。

图2. 功率计测量信号源输出信号

为了提高效率和精确度，信号源提供了User Correction (UCOR)功能，通过设置一张指定频点的补偿表格，功率探头会将功率损耗或增益（统称为偏移量，用正负表示）自动填充到表格中。

图4

信号源输出的功率不是理想恒定的，而是随着时间和温度的变化有波动。虽然信号源内部有自动电平控制电路（ALC）来减小这种波动，但是对电平精度要求很高的应用（如计量），就需要找到可溯源和定标方法进一步实时监控并补偿减小电平波动。User Correction (UCOR)功能虽然能补偿电平，但是无法做到实时，当表格写好之后，就无法实时补偿随着温度引起的电平变化。

信号源都配备了闭环电平控制功能（Closed loop power control），如下图所示。需要借助一个定向耦合器通过耦合臂耦合一部分功率给功率探头，功率探头事先把该定向耦合器的耦合度的S参数下载到功率探头的内存中，然后实时计算不同的频点的真实功率，通过数据线反馈给信号源。信号源根据功率探头的每次实时测试结果数据来调整电平，补偿电平的波动。

2. 提高频率精度

信号源的输出信号频率的精度分为绝对精度和相对精度两种。

绝对精度可以使用更精准、老化率更低的参考时钟源来提高。信号源都标配了一个普通的参考时钟源，另外可以选配高精度的恒温晶振来作为参考时钟源，如R&S SMBV提供B1和B1H两种参考时钟源的频率误差和年老化率和标配的相比都大幅度降低。

此外，信号源的外参考输入连接到GPS时钟或者高稳定度原子钟（铯钟、铷钟）也可以大幅度提高频率绝对精度。

相对精度是指多个信号（例如多CW信号）的相对频率间隔的精度。假设两台信号源分别产生一个CW信号，中心频率1GHz，频率间隔1MHz。信号源的内部时钟的老化率通常是±1×10^-6/年，那么在这种情况下，1GHz×1×10^-6= ±1000Hz因此，两个CW信号的频率间隔实际上可能是1MHz±(2×1000Hz) =998kHz或1200kHz。为了提高频率间隔的精度，把两台信号源的参考时钟连在一起，即一台信号源输出参考时钟给另外一台。这样，频率间隔的精度可提高到1MHz×1×10^-6=1Hz。

3. 提高源匹配度

许多DUT的端口匹配不好，因此源匹配至关重要。信号源与负载的阻抗失配会使输入到DUT的信号有效功率改变。DUT通常很少直接连接到信号源输出端口，而是通过射频线缆和其它器件（如适配器、滤波器）。如果使用适配器进行接头类型转换或者滤波器进行谐波抑制，这些器件会降低源匹配。负载的反射波会在源和负载之间形成多次反射，从而输入到待测件功率的不确定度增大了。

为了减小失配的影响，最简单的方法就是在信号源和DUT之间插入一个固定值衰减器，这会提高源匹配于两倍衰减器的值。具体的计算过程如下所示：

没有衰减器插入时，失配误差为0.67dB。

当插入一个6dB的衰减器，失配误差降低为0.17dB。

4. TOI测量

当把两个信号源输出的CW信号通过外部合路器合路成双音信号送入待测设备进行TOI测量时，两台信号源互相的隔离度是非常重要的。

如果信号源互相的隔离不好，信号源会通过ALC环路互调产生新的互调产物，从而无法测量到DUT的互调性能。如下图所示。所以建议在ALC中选择OFF，关闭ALC。

因此，每一个信号源输出都希望是良好的50欧姆匹配。当使用阻性合路器时，只有两个端口有电阻的合路器不能在三个端口都提供50欧姆的输入阻抗匹配。使用每个端口都有电阻的合路器，而不是只有两个端口有电阻的合路器，如下左图所示。此外，每个端口都有电阻的合路器在信号输入端口还提供6dB的隔离度。或者使用下右图所示的威尔金森合路器。

5. 减小谐波失真

进行准确的谐波测量需要信号失真度很小的信号源和频谱仪。信号源的谐波和频谱分析仪的动态范围是影响的主要因素，通常信号源的谐波是瓶颈--一般信号源的谐波抑制度在-30dB左右。

减小信号源谐波的传统方法是使用一个低通滤波器--通过选择截止频率来滤除谐波、保留基波。然而，这种方法最大的缺点就是低通滤波器的戒指频率一般是固定不可调的，要实现在不同频点进行滤波不现实。

为了更有效灵活的减小谐波，就要进一步深入分析谐波产生的源头。从信号源的结构上来看，产生和消除谐波的主要有三部分。而OPU电路是谐波抑制度变差的源头。谐波主要由OPU产生，随着OPU输出功率的增大而增大。

① 频综：产生谐波的源头(VCO, amplifiers in compression, divider stages)
② 谐波滤波器：滤除频综的谐波，谐波小于-80 dBc
③ OPU（output uint，功率放大器+ALC环路+衰减器组）：谐波抑制变差，-40 dBc

分析OPU的工作机制，功率放大器和衰减器组的功能是联动调节使得信号源功率输出的动态范围在+30dBm到-145dBm改变。通常情况下，信号源OPU并没有工作于固定输出功率状态，而是配合衰减器在一定范围内调整输出功率，以得到合适的仪表输出功率，如下图所示。

从OPU的工作方式可以找到降低谐波的方法，如下图所示：

① 设置输出功率比想要的输出功率高10~15dB，那么步进衰减器的衰减值会减小，这时把衰减器的“Mode”改为“Fixed”从而固定衰减器的衰减值；

② 再减小功率到想到的输出功率。

以上是手动调整，信号源在“RF BLOCK”中也提供“Low Distortion”模式来自动完成上述的手动调整过程，但精细的调整仍需要手动完成。

虽然降低了谐波，但是带来的缺点也是不可忽视的。首先宽带噪声恶化，另外电平准确度也降低。

6. 提高信噪比

上一节讲到利用OPU和衰减器组的工作特性减小输出信号的谐波，那么从另一方面，也可以以增大谐波为代价，提高信号的信噪比。

① 设置输出功率比想要的输出功率低10 ~15 dB，那么步进衰减器的衰减值会增加，这时把衰减器的“Mode”改为“Fixed”从而固定衰减器的衰减值；

② 再增加输出功率到想到的输出功率。但谐波功率会增大。

以上是手动调整，信号源在“RF BLOCK”中也提供“Low Noise”模式来自动完成上述的手动调整过程，但精细的调整仍需要手动完成。

7. EVM与ACLR指标的优化

矢量信号源的EVM和ACLR指标一般在datasheet中会给出指标值。在R&S高端矢量信号源SMW200A的datasheet里，以特定的WCDMA test model为测试信号给出了EVM和ACLR的最优保证值，但其它类型的信号是否也能达到这样的指标呢？答案是不一定的，需要用户自己调整和优化。

影响信号源产生的信号的EVM和ACLR的主要因素主要有如下三点，EVM与ACLR是相互决定、制约的关系，不可兼顾。

1)  调制方式和峰均比
2)  发射滤波器类型和滚降因子
3)  信号源自身的非线性特性（如基带信号畸变或射频发射功率）

与WCDMA和CDMA2000在协议中规定了使用何种滤波器不同，LTE标准并没有在协议中指定一个特定的发射滤波器类型，而是允许根据应用场景使用不同的滤波器来达到更优的EVM还是更优的ALCR。

在R&S矢量信号源SMW200A中，LTE选件提供了三种不同的滤波器以满足不同的优化目标。

LTE将OFDM符号组装成子帧，最终形成一帧LTE信号。但在前后两个OFDM信号之间存在相位不连续的情况，而相位不连续会出现频谱泄漏，会影响信号的ACLR特性。R&S信号源LTE选件提供时域窗功能对信号进行平滑以优化ACLR特性。但过度的时域窗平滑会导致OFDM符号的EVM恶化，以牺牲EVM为代价的。