使用矢量分析對RF進(jìn)行有效測量

        隨著寬帶通信系統(tǒng)和其它高性能RF技術(shù)不斷發(fā)展，測量系統(tǒng)也必須與之保持同步。過去，頻譜分析對于大多數(shù)一般性應(yīng)用來講己經(jīng)足夠，矢量分析只用于更為特殊的測量中，如國防和信號監(jiān)視場合。但矢量分析對測量快速移動(dòng)的寬帶與擴(kuò)頻信號非常重要，而且它在通用RF信號分析中也有很多優(yōu)點(diǎn)，可以極大提高測量速度。 

RP測量一般可分為三大類，即頻譜分析、矢量分析和網(wǎng)絡(luò)分析。頻譜分析通常采用頻譜分析儀，它能夠提供基本測量，在許多通用場合是用得最多的RF儀器，特別是用這類儀器可以觀察到功率與頻率之間的相關(guān)信息，有時(shí)還能對AM、FM和PM之類的模擬格式進(jìn)行解調(diào)。矢量儀器包括矢量或?qū)崟r(shí)信號分析儀，這類儀器可分析寬帶波形并從感興趣的信號中捕獲有關(guān)時(shí)間、頻率和功率方面的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀一般用于RF元件的S參數(shù)測量。 

更專業(yè)的RF儀器稱為“測試臺”，針對特定的協(xié)儀或標(biāo)準(zhǔn)如藍(lán)牙、GSM或802.11無線網(wǎng)絡(luò)等做復(fù)雜測量。雖然價(jià)格昂貴，但它能夠按指定標(biāo)準(zhǔn)一次性完成所有必要的測量，可加快測試程序的開發(fā),不過一般情況下速度比通用儀器慢。由于這一原因，它更適用于設(shè)計(jì)和開發(fā)，而在制造測試環(huán)境下會給成本帶來壓力。

 所有這些儀器——頻譜分析儀、矢量分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試臺——為用戶提供了不同的功能，它們要么建立在標(biāo)量基礎(chǔ)上要么建立在矢量結(jié)構(gòu)上，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。標(biāo)量結(jié)構(gòu)一般制造費(fèi)用較低，在噪聲和相噪聲方面能提供優(yōu)越的性能。但因?yàn)槭且环N窄帶結(jié)構(gòu)，它不太適合分析目前日益普遍應(yīng)用的寬帶信號；此外它只能對觀察信號給出兩維(功率與頻率的關(guān)系)信息，而且一般比矢量結(jié)構(gòu)要慢。

 通信技術(shù)的發(fā)展

 近十年來，寬帶已越來越變成一個(gè)重要的考慮因素，對更寬帶寬和更大容量的要求迫使通信系統(tǒng)從窄帶向具有高數(shù)據(jù)率的寬帶轉(zhuǎn)移。我們先來看一看通信技術(shù)的發(fā)展情況。

 多年以來AM和FM無線電及傳統(tǒng)電話一直是最普遍使用的通信方式，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，需要的帶寬也有限，例如電話為8kHz，F(xiàn)M無線電為200kHz。但我們?nèi)缃裾�在�?G蜂窩系統(tǒng)方向發(fā)展，這一系統(tǒng)使用5MHz頻帶，而像藍(lán)牙和IEEE802.11b無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均要占據(jù)80MHz頻帶，兩者分別使用1MHz和22MHz信道，如此高的寬帶與QPSK、FSK、GMSK和QAM等數(shù)字調(diào)制格式結(jié)合在一起，可以達(dá)到所要求的高數(shù)據(jù)率。

 許多目前使用的通信技術(shù)已經(jīng)存在多年，但一直僅限于軍事和國防應(yīng)用，很多調(diào)制方案、寬帶發(fā)送器、擴(kuò)頻性能和RF發(fā)送與接收等都源于軍事應(yīng)用。如今隨著在研究和開發(fā)領(lǐng)域的大量投資，以及半導(dǎo)體性價(jià)比大幅增長，復(fù)雜的RF性能也在商業(yè)領(lǐng)域中逐漸得到應(yīng)用。RF技術(shù)現(xiàn)在已融入到多種產(chǎn)品中，從電話到汽車鑰匙，而TV系統(tǒng)、衛(wèi)星和電纜通信調(diào)制器之類的寬帶應(yīng)用也采用了RF技術(shù)。

 通過矢量分析改進(jìn)RF測量技術(shù)

 為精確捕獲和表征現(xiàn)代寬帶系統(tǒng)，測量也需要從窄帶測量設(shè)備向?qū)拵�矢量儀器轉(zhuǎn)換，如果使用儀器的帶寬等于或大于發(fā)送器帶寬，就可以保證能捕獲被測器件所有發(fā)送的信號。

 雖然矢量儀器的價(jià)格一般高于標(biāo)量儀器，但它能提供更快的測量速度，產(chǎn)生更復(fù)雜的信號。特別是矢量儀器比頻譜分析儀之類的窄帶儀器所使用的濾波器頻帶更寬，這樣就減少了對濾波器進(jìn)行重新調(diào)諧的次數(shù)，使矢量儀器能更快完成對整個(gè)頻譜的掃描。矢量結(jié)構(gòu)還能產(chǎn)生大多數(shù)通信系統(tǒng)所使用的調(diào)制波形之類的復(fù)雜信號。 

當(dāng)選擇矢量儀器測量寬帶信號時(shí)，需要同時(shí)考慮被測器件帶寬和所有其它測量因素。例如你可能對分析僅有4MHz帶寬的數(shù)字衛(wèi)星信號感興趣，但同時(shí)也必須測量相鄰信道的功率，以確定發(fā)送器信號侵入其它服務(wù)運(yùn)營商使用通道的功率符合政府規(guī)定的規(guī)范要求，對這種測量來說，矢量儀器的實(shí)時(shí)帶寬至少應(yīng)為器件帶寬的三倍。  

除了捕獲寬帶信號外，矢量儀器還能為測量應(yīng)用提供許多其它重要優(yōu)點(diǎn)。例如對一個(gè)跨度很大的頻率范圍進(jìn)行頻譜掃描或其它測量時(shí)，矢量分析儀很寬的實(shí)時(shí)帶寬可以極大節(jié)省測試時(shí)間。像國家儀器公司的新型RF信號分析儀具有20MHz實(shí)時(shí)帶寬，其測量速度是傳統(tǒng)儀器的30～200倍。 

對于各種通用頻譜的采集，矢量儀器速度更快且測量次數(shù)更多，矢量分析儀能夠采集到相位信息、幅值和頻率，傳統(tǒng)儀器一般做不到。你可以使用同一性能同時(shí)捕獲和顯示頻率及時(shí)間信息，這對時(shí)間-頻率分析和顯示3D頻譜圖或瀑布圖非常有用；另外還可以在I-Q或調(diào)制分析中使用帶頻率的相位信息，得到被測信號更為詳細(xì)的視圖，這些優(yōu)點(diǎn)都使矢量分析儀比傳統(tǒng)頻率分析儀功能更為強(qiáng)大，更具靈活性。 

圖1是頻譜分析儀采集到的調(diào)頻信號的頻譜，顯示圖里沒有任何動(dòng)態(tài)信息，既沒有頻譜變化率，也沒有調(diào)制在載波上的內(nèi)容信號。圖2是矢量分析儀顯示的頻譜圖，即輸入信號的時(shí)間-頻率分析圖。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)信號頻譜圖，表現(xiàn)了FM波形隨時(shí)間變化的關(guān)系，它使調(diào)制頻率下的內(nèi)容信號(這里為正弦波)清晰可見。傳統(tǒng)頻譜分析儀不能顯示頻譜圖，所以不適合用來進(jìn)行調(diào)制分析。

作者：Carl Petersen
產(chǎn)品經(jīng)理
高頻測量產(chǎn)品部
國家儀器公司