最佳化 NI 向量訊號分析儀的基本功率量測作業

首先要看看標準 GSM 脈衝的時域功率範圍。GSM 激發採用 GMSK 調變機制,因為其功率設定在激發有效期間內為常數,因此非常適合用於進行功率分析的基本討論。

圖 1.功率 vs. 功率GSM 訊號的時間

在圖 1 中,請注意,PvT 圖並非 GSM 訊號本身的完整呈現方式,而是透過帶通濾波器量測過期的包絡功率。針對圖 1 中的 GSM 激發,激發主動式部分的功率為 -10 dBm。

接下來比較圖 1 與圖 2 中的相對應訊號頻譜。雖然功率為穩定,就像連續波 (CW) 一樣,訊號卻佔用了某些非零的頻寬。由於 GSM 訊號在技術上是無限大的頻寬,因此訊號頻寬通常會以所取得總功率的百分比表示。

圖 2.GSM 訊號的頻譜 (10k RBW,Ref.準位 -10dBm)

本文將於稍後回覆頻寬。我們一起來了解時域與頻域內的功率分析。觀察圖 1 就能了解訊號功率的細節。在高準位的情況下,頻譜是指分析儀在一段時間內取得的訊號。顯示特定訊號在頻率範圍內分配的功率。就圖 1 而言,將通道頻寬的功率整合至頻域中,會產生相同的 -10 dBm 觀察到的功率準位,相較於將頻譜軌跡峰值 (-20dBm) 宣告為訊號最大功率的常見錯誤。

為了進一步了解這個問題,請思考圖 3 的簡單離散頻譜。每個點皆顯示 1MHz 頻帶的功率。頻譜是一系列以特定頻率進行較小頻寬功率量測,並加以整合。

圖 3.簡單的範例頻譜,顯示離散至頻段的功率

要判斷這個頻率範圍內的總功率,就需要在整個範圍內整合每個頻寬的功率。為了做到這一點,我們無法單純增加分貝數值,首先必須轉換為線性單位,然後加總,然後再轉換回分貝。以下是 dBm 轉換方程式的參考資料:

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

上表的功率加總瓦特,可達到約 20 mW。現在轉換為 dBm,如下方所示,使用上述方程式。893M 與 896M 的功率,相較於 894M 與 895M 的主要功率,為 -30dB,且對整體訊號所提供的功率非常少。

基本功率量測基本設定

下列章節將使用相同的 GSM 波形範例，討論使用 VSA 或頻譜分析儀進行 RF 功率量測的參考準位與解析度頻寬。

在 NI-RFSA 驅動程式中,會使用 Configure Reference Level VI 來設定 VSA 的參考準位。必須先設定這個項目,才能呼叫 niRFSA Initiate VI。

圖 4.NI-RFSA 說明文件中的 niRFSA Configure Reference Level VI 螢幕截圖

參考準位設定會告知分析儀所有進入分析儀的訊號預期 RMS 功率。有幾個原因導致此為重要的量測設定。首先,它會調整訊號路徑中的增益與衰減階段,以降低放大階段的壓縮,並避免裝置受損。第二,驅動程式會嘗試將增益與衰減設定最佳化,以將量測的雜訊降至最低。因此,必須了解輸入訊號的特性,並為儀器選擇適當的參考準位。

從圖 1 的 PvT 圖回憶一下,最大 RMS 功率約為 -10 dBm。觀察圖 5 後,請務必將參考準位設為 -10 dBm 以上,以確保分析儀在線性範圍內正常運作。

圖 5.功率比GSM 訊號與參考準位的時間

為比較,請參考參考準位與圖 6 所示的對應頻譜。請注意,參考準位比頻譜軌跡的峰值高約 10 dB。這是因為頻譜顯示頻率分隔的資料,而非整個訊號本身的實際整合功率,如前一節所述。

圖 6.GSM 頻譜與參考準位 (10 kHz RBW,Ref.準位 -10 dBm)

參考準位太高

考慮時域的影響。請見下方圖 7,顯示以適當的參考準位取得的 GSM 訊號,以及以較高參考準位量測的相同訊號。請注意,較高的參考準位會提高量測雜訊。這是因為 RF 衰減過高,會將訊號推至較接近分析儀的雜訊水平,並降低量測的訊噪比。

圖 7.左側：GSM 與合適的參考等級。右側:GSM 參考準位過高。

現在,以圖 8 所示的頻域為例。雜訊水平的增加更顯著,因此難以查看 GSM 通道的完整形狀。如果訊號位準較低,就會因為過度的 RF 衰減而受到雜訊底層克服。

圖 8.左側：GSM 訊號與適當的參考準位。右側:GSM 參考準位過高。

參考準位太低

以下方的圖 9 為例,圖 1 與以過低的參考準位量測的相同訊號進行比較。參考準位設定過低會在時域中產生壓縮。由於相同功率訊號的 RF 衰減較少,所以放大器會導致壓縮。

圖 9.左側:GSM 訊號功率與時間為 -10 dBm 參考準位。右側:GSM 訊號功率與時間為 -40 dBm 參考準位。

若設定參考準位過低,可能會對裝置造成損壞。因此,若驅動程式偵測到功率高於預期參考位準,則會警告使用者,如果功率過低,則會出現錯誤。

現在,假設圖 8 顯示頻域。圖 7 的 PvT 圖中觀察到的壓縮,現在會造成頻譜失真。這種失真會產生額外的頻率內容,進而使雜訊水平增加。

圖 10.左側：GSM 頻譜與合適的參考準位。右側:參考準位設定太低的 GSM 頻譜。

取捨

上文探討過高或過低的參考準位調整,對功率量測有何影響。還有其他需要取捨的考量。以訊號為例,其功率接近雜訊底層。使用均分的多重採集作業,即可輕鬆降低所顯示的雜訊水平,以解析訊號。這種方式可用來量測訊號,但也會增加量測作業必須額外進行均分作業的總量測時間。

在 NI-RFSA 驅動程式中,使用 niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI 設定解析度頻寬。必須先設定,再進行 niRFSA Initiate VI 的呼叫。

圖 11.從 NI-RFSA 說明文件中取得的 niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI 螢幕截圖

我們將與傳統的掃頻調節分析儀相關解析度頻寬,並進一步探討。在掃頻調節分析儀中,RBW 濾波器會直接連接至硬體,而功率感測器則會連接至硬體中。根據所設定的 RBW 與展頻,訊號會以頻率步進穿過濾波器,以獲取頻率窗的平均功率。接著會在頻譜上繪製每個步驟的平均功率。因此,由於訊號必須多次移動,以覆蓋整個設定的量測範圍,所以較小的 RBW 會造成更長的量測時間。此外,訊號在每個步進中都必須等待足夠的時間,才能克服濾波器內固有的延遲,進而增加量測時間。

NI 向量訊號分析儀採用 FFT 架構,而非上述的掃頻調正分析儀。主要差別在於,RBW 濾波器不需仰賴硬體來透過帶通 RBW 濾波器移動訊號,以進行頻率選擇功率分析,而是透過快速傅利葉轉換 (Fast Fourier Transform) 在軟體中實作。其中一個關鍵優勢在於能更快分析小範圍的頻率。此外,FFT 架構的分析儀也能量測相位,因此能夠執行解調。

通常,RBW 會認為是控制頻譜解析度的方式。不過,這只是故事的一半。考慮時域的影響,例如 PvT 量測。回顧圖 1,以及 PvT 如何量測透過解析度頻寬 (RBW) 濾波器在任何特定時間點所量測的訊號平均功率。我們來看看當我們將 RBW 推向極端時會發生什麼事,並且探討時域與頻域的影響。

解析度頻寬太高

較高的 RBW 表示所購買的點數較多。因此,RBW 的體積過大可能會導致系統機器記憶體錯誤。點數越多,訊號處理時間就會越長。此外,雜訊水平的功率也會提高,因為濾波器較寬,並讓更多雜訊通過。

圖 12.左側:GSM 功率與使用 1 MHz RBW 的時間。右側:GSM 功率與使用 80 MHz RBW 的時間。

在頻譜中,訊號形狀幾乎沒有解析度或定義。在此情況下,很難區分通道頻寬與雜訊底層。

圖 13.左側：以 10kHz RBW 取得的 GSM 頻譜。右側:以 1 MHz RBW 取得的 GSM 頻譜。

解析度頻寬太低

較低的 RBW 代表每個步驟的積分更短,也需要更長的作業時間。因此,RBW 太小可能無法讓重要訊號特性通過,因此可能會錯過這些特性。這對只有在所需頻率內容所在的短時間內有效的脈衝訊號尤其如此。

圖 14.左側：GSM 功率與使用 1 MHz RBW 取得的時間。右側:GSM 功率與以 100 kHz RBW 取得的時間。

請注意在查看圖 15 所示的對應頻譜時,解析度會提高。在此情況下,GSM 訊號的頻寬會更明顯,且可輕鬆看見,但功率不準確,因為 RBW 濾波器的寬度不足以捕捉整個訊號的頻寬。

圖 15.左側:以 10 kHz RBW 取得的 GSM 頻譜。右側:以 100 Hz RBW 取得的 GSM 頻譜。

取捨

選擇正確的 RBW 時,取決於量測作業與所量測的訊號類型。針對脈衝訊號,RBW 必須夠高,以利收集整個訊號頻寬,但不要太高,讓雜訊水平變得太大。

RBW 也會影響量測時間。RBW 的尺寸越小,量測時間就越長,要完成頻譜就越多 RBW 點。

本文件介紹如何選擇合適的參考準位與 RBW,以及選擇值過高或過低所導致的量測後果。GSM 訊號的範例說明了這方面的影響。參考準位與 RBW 均為基本設定,可對功率量測產生明顯的影響,在設定與分析 RF 功率量測作業時,請務必具備直覺能力。

本文著重於 NI 向量訊號分析儀,但這些概念可能也適用於其他 VSA。本文應鼓勵工程師研究其他配置,以及這些設定對自身的 RF 量測作業有何影響。

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