优化NI矢量信号分析仪的基本功率测量

首先来看标准GSM突发的时域功率包络。GSM突发使用GMSK调制方案，由于其功率信息在突发的有效周期内是恒定的，因此可用于功率分析的基本讨论。

图1.功率 vs.GSM信号的时间

在图1中，PvT曲线不是GSM信号本身的完整表示，而是通过带通滤波器在一段时间内测得的包络功率的表示。在图1中，GSM突发的有效部分功率为-10 dBm。

现在将图1与图2中同一信号的相应频谱进行比较。功率恒定时，类似于连续波(CW)，信号在频率上占据一些非零带宽。由于GSM信号的带宽在技术上是无限的，信号带宽通常以采集到的总功率百分比表示。

图2.GSM信号的频谱(10k RBW, Ref.电平-10dBm)

我们将在文章的后面讨论带宽。我们继续了解时域和频域的功率分析。通过观察图1，我们可以看到信号功率的一些细节。在高层，频谱是分析仪在一段时间内采集到的信号的频域表示。它显示了给定信号在频率范围内的功率分布。关于图1，在频域中对通道带宽上的功率进行积分，得到的功率电平与观察到的-10 dBm相同，这与将谱迹峰值(-20dBm)声明为信号最大功率的常见错误相反。

为了更好地理解这一点，可考虑图3中的简单离散频谱。每个点显示1MHz频带的功率。频谱是在特定频率上拼接的一系列较小带宽的功率测量。

图3.显示离散到频率区间的功率谱的简单范例

要确定该频率范围内的总功率，我们需要积分跨度上每个带宽中的功率。为此，不能简单地将分贝值相加，必须先转换为线性单位，然后求和，再转换回分贝。dBm转换方程如下以供参考：

P(dBm) = 10*log(P(mw)/1mW)

将上表中的功率（单位为瓦特）相加可得到大约20 mW。现在使用上面的公式将其转换为dBm，如下图所示。893M和896M的功率与 ⁇ M和895M的主功率相差-30dB，对总信号的功率影响可忽略不计。

基本功率测量的基本设置

以下章节将使用相同的GSM波形范例，讨论使用VSA或频谱分析仪进行RF功率测量的参考电平和分辨率带宽。

在NI-RFSA驱动程序中，配置参考电平VI用于设置VSA的参考电平。必须在调用niRFSA Initiate VI之前设置。

图4.NI-RFSA帮助文档中niRFSA Configure Reference Level VI的截图

参考电平设置告知分析仪所有进入分析仪的信号的预期均方根功率。由于几个原因，这是一个重要的测量设置。首先调整信号路径中的增益和衰减阶段，以减少放大阶段的压缩并防止损坏设备。其次，驱动尝试优化增益和衰减设置，以最小化测量中的噪声。因此，了解输入信号的性质并为仪器选择合适的参考电平非常重要。

注意图1中的PvT图，最大RMS功率约为-10 dBm。如图5所示，参考电平应设为-10 dBm或更高，以确保分析仪在线性范围内正常运行。

图5.功率 vs.GSM信号与参考电平的时间

作为比较，参考电平与图6所示的相应频谱相关。请注意，参考电平比频谱迹线上的峰值高出约10 dB。这是因为频谱显示的数据在频率上分离，而不是整个信号本身的实际积分功率，如上一节所述。

图6。参考电平GSM频谱(10 kHz RBW, Ref.电平-10 dBm)

参考电平过高

考虑时域的影响。见图7，显示了使用适当参考电平采集的GSM信号，该信号与使用较高参考电平测量的相同信号相邻。注意，参考电平越高，测量的噪声越大。这是因为RF衰减过高，会将信号推向分析仪的噪声范围，降低测量的信噪比。

图7.左：具有适当参考电平的GSM。右：GSM参考电平过高。

现在来看图8所示的频域。噪声本底的增加更为明显，因此更难以查看GSM通道的完整形状。如果信号电平再低一点，就会由于RF衰减过大而被噪声本底抵消。

图8.左：具有适当参考电平的GSM信号。右：GSM参考电平过高。

参考电平过低

考虑下面的图9，它将图1与参考电平过低的同一信号进行比较。参考电平设置过低将导致时域中可见的压缩。由于同一功率信号的RF衰减较小，放大器会被压缩。

图9.左:GSM信号功率 vs.参考电平为-10 dBm的时间。右：GSM信号功率 vs.-40 dBm参考电平时的时间。

参考电平设置过低可能会导致设备损坏。因此，如果检测到功率高于预期的参考电平，驱动程序将警告用户；如果功率过低，将抛出错误。

图8显示了频域。由于图7中的PvT曲线观察到的压缩，频谱已失真。失真会产生额外的频率成分，导致噪声本底增加。

图10.左：具有适当参考电平的GSM频谱。右：参考电平设置过低的GSM频谱。

权衡

上文讨论了调整参考电平过高或过低对功率测量的影响。需要考虑其他一些折衷。例如，假设一个功率非常接近噪声本底的信号。平均多个采集可用于稍微降低显示的噪声本底，以解决信号问题。虽然可以测量信号，但由于平均需要额外的采集，这也增加了总测量时间。

在NI-RFSA驱动程序中，通过niRFSA配置分辨率带宽VI设置分辨率带宽。必须在调用niRFSA Initiate VI之前设置。

图11.NI-RFSA帮助文档中niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI的截图

与传统扫频调谐频谱分析仪相比，分辨率带宽值得简单讨论。在扫描整定分析仪中，RBW滤波器在硬件中实现，紧随其后的是功率传感器。根据配置的RBW和跨度，信号在频率中步进通过滤波器，以在频率窗口中捕捉平均功率。然后在频谱上绘制每个步骤的平均功率。因此，较小的RBW将导致测量时间更长，因为必须多次移动信号以覆盖整个配置的测量范围。此外，信号在每个步骤中的等待时间必须足够长，以克服滤波器固有的延迟，这也会增加测量时间。

与上述扫描整定分析仪不同，NI矢量信号分析仪基于FFT。主要区别在于，RBW滤波器不是依靠硬件通过带通RBW滤波器进行频率选择性功率分析，而是通过快速傅立叶变换在软件中实现。这样做的一个关键优点是分析小频率范围更快。此外，基于FFT的分析仪还能够测量相位，从而实现解调。

通常，RBW被认为是控制频谱分辨率的一种方式。然而,这只是故事的一半。考虑时域的影响，例如，PvT测量。回想起图1，以及PvT如何测量在给定时间点通过分辨率带宽(RBW)滤波器测得的信号的平均功率。让我们看看将RBW推向极端会发生什么，并讨论时域和频域的影响。

分辨率带宽过高

更高的RBW意味着采集的点数越多。因此，RBW过大会导致系统采集内存错误。点数越多，信号处理时间越长。同时，由于滤波器更宽并让更多的噪声通过，噪声本底的功率会增加。

图12.左:GSM功率 vs.时间（1 MHz RBW）。右：GSM功率 vs.80 MHz RBW时。

在频谱中，信号的形状几乎没有分辨率或定义。在这种情况下，很难区分通道带宽和噪声本底。

图13.左：使用10kHz RBW采集的GSM频谱。右：使用1 MHz RBW采集的GSM频谱。

精度带宽过低

更低的RBW意味着更长的采集时间，每步的点数更少。因此，过小的RBW可能无法通过关键信号特性，导致丢失。对于频率内容所在的仅在短时间内有效的突发信号，尤其如此。

图14.左：GSM功率 vs.使用1 MHz RBW采集的时间。右：GSM功率 vs.100 kHz RBW采集到的时间。

注意查看图15所示的相应频谱时，分辨率如何更高。在该例中，GSM信号的带宽更为明显且易于查看，但由于RBW滤波器宽度不足以捕捉整个信号的带宽，功率不准确。

图15.左:使用10 kHz RBW采集的GSM频谱。右：100 Hz RBW采集的GSM频谱。

权衡

选择合适的RBW取决于测量和被测量的信号类型。对于突发信号，RBW必须足够高，以捕捉整个信号的带宽，但不能太高，以至于噪声本底太大。

RBW也会影响测量时间。由于完成频谱所需的RBW点数增加，较小的RBW会增加测量时间。

本文档介绍了如何选择合适的参考电平和RBW，以及选择过高或过低的值进行测量的后果。以GSM信号为例说明了其含义。参考电平和RBW是可对功率测量产生显著影响的基本设置，在配置和分析RF功率测量时能够应用直觉非常重要。

本文主要介绍NI矢量信号分析仪，但这一概念也适用于其他VSA。本文应鼓励工程师研究其他配置及其对RF测量的影响。

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