了解RF儀器規(guī)格：第一部

了解RF儀器規(guī)格：第一部RF儀器有許多規(guī)格代表了儀器效能。隨著無線技術(shù)不斷變化，設計RF組件與設備可能會成為工程師的例行工作，然而工程師在這方面的經(jīng)驗可能并不完整。本文共分為三部分，有助于掌握基礎與進階的RF儀器規(guī)格，其中包含一般的發(fā)生器與分析儀規(guī)格。第一部說明了頻率范圍、瞬間帶寬、微調(diào)速度、相位噪聲、電壓駐波比；第二部與第三部則是說明1dB壓縮點、三階交調(diào)截取、動態(tài)范圍與分辨率帶寬。1.簡介本文說明下列規(guī)格，同時適用于RF產(chǎn)生與分析作業(yè)?！ゎl率范圍

·瞬間(實時)帶寬

·微調(diào)速度

·相位噪聲

·電壓駐波比(VSWR)注意：所有的RF設備與RF儀器一樣，均受限于相同的設計規(guī)則。2.頻率范圍頻率范圍

(FrequencyRange)是RF儀器的重要特性之一。比如說，WiFi測試解決方案所需的運作頻率高達2.5GHz。一樣的道理，如要分析運作頻率為900MHz的組件，采用此組件的儀器必須在相同的頻率范圍內(nèi)運作才行?；旌掀鳌⑤斎霝V波器、局部震蕩器(LO)等組件都會影響RF儀器的最大頻率范圍。不過主要是通過調(diào)整LO，才能將儀器設定為在特定的頻率內(nèi)運作。有些儀器會采用多種系列的LO，但是簡化過的儀器方塊圖卻只使用一個LO(如圖2所示)。LO搭配了RF輸入，后者可以將RF信號降轉(zhuǎn)換為中頻(IntermediateFrequency，IF)信號。相同的頻率合成技術(shù)也適用于RF信號發(fā)生器。使用電壓控制震蕩器(VoltageControlledOscillator，VCO)或釔鐵石榴石(YttriumIronGarnet，YIG)即可完成頻率合成作業(yè)。傳統(tǒng)的作法是RF儀器會采用YIG架構(gòu)以產(chǎn)生LO。YIG是一種電流控制震蕩器(CurrentControlledOscillator)，其特色是密集的相位噪聲與大頻率范圍(高達20GHz或以上)。不過YIG架構(gòu)的儀器不但耗電量高，也可能相當昂貴。此外，相較于其他方法，調(diào)整YIG的頻率或許得花更多時間。因此，近期采用VCO的LO架構(gòu)變得更普遍。VCO的頻率范圍比YIG更小，但微調(diào)速度卻快很多。3.瞬間(實時)帶寬瞬間帶寬

(InstantaneousFrequency)也稱為實時帶寬

(Real-TimeFrequency)，代表了某儀器產(chǎn)生或擷取的最高連續(xù)RF帶寬。比如說，向量信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的中央頻率可能是2.45GHz，但是該儀器的瞬間帶寬(也稱為信號帶寬)可能只有20MHz。信號帶寬代表此設備可連續(xù)擷取20MHz的RF頻譜，不必重新調(diào)整LO。瞬間帶寬主要取決于該儀器的RF模擬前端設備。如要深入了解瞬間帶寬，可以先掌握RF儀器的基本架構(gòu)。目前的技術(shù)無法數(shù)字化Gigahertz范圍內(nèi)的每個信號。所以RF儀器會采用一系列的LO、混合器、濾波器等，才能將RF信號導入IF或基頻頻率范圍。圖2為向量信號分析儀的簡要方塊圖。圖2.濾波器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)決定了瞬間帶寬如圖2所示，向量信號分析儀將一部分的RF頻譜降轉(zhuǎn)換至ADC可辨識的IF。RF儀器的瞬間帶寬主要取決于下列兩個要素：

·該儀器采用的濾波器

·ADC的取樣率與帶寬儀器的瞬間帶寬是否重要，主要取決于應用本身。比如說，如要產(chǎn)生窄頻的FM信號，只需要200KHz的瞬間帶寬即可。但如果要產(chǎn)生并分析寬帶信號，例如IEEEStandard802.11g(WiFi)，那就至少需要20MHz的瞬間帶寬。如果瞬間帶寬比重點信號本身大很多，就可以大幅提高頻譜屏蔽測試等應用的速度。如果儀器的瞬間帶寬不夠頻譜屏蔽測試作業(yè)使用，就必須重新調(diào)整儀器，才能擷取區(qū)段內(nèi)的頻率信息。4.微調(diào)速度微調(diào)速度

(TuningSpeed)是指LO在特定的準確度范圍內(nèi)變更中央頻率所需的時間。將震蕩器調(diào)整至不同頻率的時候，LO的趨穩(wěn)時間即代表了微調(diào)速度。就一般系統(tǒng)而言，如要調(diào)整頻率，LO通常會稍微超過所需的頻率，并且在特定時間內(nèi)趨穩(wěn)至所需的頻率?；旧?，微調(diào)速度是一種頻率間隔(FrequencyStep)大小功能。頻率間隔越大，LO調(diào)整至特定范圍所需的時間就越長。表1為YIG架構(gòu)LO的趨穩(wěn)時間。表1.YIG架構(gòu)LO的微調(diào)速度

對于802.11g收發(fā)器自動化生產(chǎn)測試等應用來說，微調(diào)速度可說是非常重要的規(guī)格。由于802.11g標準明訂了設備必須在2.4GHz~2.48GHz之間于14個通道之一運作，所以RF儀器必須用來測試多種頻率內(nèi)的設備運作狀況。測試信號的掃頻速度越快，測試接收器的速度也就越快。5.相位噪聲相位噪聲

(PhaseNoise)是指RF儀器的短期頻率穩(wěn)定性。相位噪聲是由小型的瞬間LO相位抖動而造成的，會在鄰近載波的頻率內(nèi)產(chǎn)生信號功率。有個簡單的方式可以說明相位噪聲的影響，那就是分析頻域內(nèi)的單一音調(diào)。圖3為兩個模擬載波：一個是理想載波，一個具有相位噪聲。圖3.理想載波vs.非理想載波圖3左側(cè)為單一音調(diào)產(chǎn)生，理論上會造成單一功率峰值，集中在非常精確的頻率范圍內(nèi)。右側(cè)卻很不一樣，其中的相位噪聲(主要是時域抖動)會使信號以漸歇性的方式分布在頻域內(nèi)。只要測量偏離所需載波的多項信號振幅，即可取得相位噪聲。如圖3右側(cè)所示，我們測量了誤差值為1KHz的–95dBc相位噪聲，以及誤差值為10KHz的–146dBc相位噪聲。RF儀器相位噪聲的重要性取決于應用本身。如要偵測接近特定重要信號的低階遮蔽信號，就會需要密集的相位噪聲。使用具有大量相位噪聲的LO時，相位噪聲就會在之后的IF信號中變大。圖4為LO相位噪聲轉(zhuǎn)換至后續(xù)IF信號的相位噪聲。圖4.LO相位噪聲產(chǎn)生了IF相位噪聲就此應用而言，這兩個信號的相位噪聲會彼此干擾，讓工程師難以辨識特定的遮蔽信號特性。此外，也可通過星座圖來呈現(xiàn)信號解調(diào)變，以便了解相位噪聲的影響。具有大量相位噪聲的信號會在星座圖中呈現(xiàn)出規(guī)律旋轉(zhuǎn)的狀況。圖5比較了理想的4相位偏移調(diào)變(4-Phase-ShiftKeying，4-PSK)信號與四個符號(以黑點表示)，并且從左圖傳輸至右圖中具有大量相位噪聲的信號。圖5.出現(xiàn)相位噪聲時，星座圖呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀況相位噪聲會降低RF儀器的錯誤向量幅度(ErrorVectorMagnitude，EVM)效能，進而影響實際的測量作業(yè)。就位錯誤率(BitErrorRate，BER)測試而言，相位噪聲會增加錯誤率。6.電壓駐波比(VSWR)電壓駐波比

(VoltageStandingWaveRatio，VSWR)與傳輸線(TransmissionLine)理論有密切的關聯(lián)，而且隨著儀器頻率范圍擴大，也變得越來越重要。大致上來說，VSWR是指沿著傳輸線出現(xiàn)的阻抗失配(ImpedanceMismatch)而造成的信號反射狀況。就理想狀況而言，RF儀器的阻抗(通常是50Ω)會符合每個接線的阻抗與待測設備的輸入阻抗。然而，不對稱信號軌跡與零件/組件差異等減損狀況，都會改變儀器阻抗的特性。因此，信號反射會在RF傳輸時出現(xiàn)，并且影響信號的振幅與相位準確度。信號反射振幅取決于所使用的材質(zhì)屬性與頻率范圍。傳輸線的阻抗失配會直接造成VSWR，而且在高頻率范圍內(nèi)還會變得更嚴重。舉例來說，如果VSWR是1:1，代表系統(tǒng)完全相符。相反的，如果VSWR是1.1:1，代表高達10%的信號振幅在傳輸線內(nèi)出現(xiàn)了反射狀況。因為VSWR也取決于材質(zhì)屬性，可以根據(jù)反射系數(shù)

Γ

計算而得，方程式如下：VSWR對測試信號的影響非常大，因為會需要調(diào)整信號的相位或振幅。此外，所產(chǎn)生的信號振幅可能會增加也可能會減少，視VSWR反射相位而定。圖6說明了VSWR反射影響信號振幅的方式。圖6.VSWR反射會影響信號振幅原始信號的反相(Out-of-Phase)反射會引發(fā)些微的抵銷效應。如圖6所示，隨之而來的復合信號振幅已稍微減少。就大多數(shù)情況下，使用內(nèi)接或外接衰減器后可降低VSWR。因此，通過內(nèi)部衰減來增加儀器參考準位，即可減少VSWR。VSWR規(guī)格非常重要，因為這會大幅影響儀器的振幅準確度。RF濾波器特性測試等應用所需的振幅準確度越高越好。RF濾波器的特性