使用矢量分析對RF進(jìn)行有效測量

隨著(zhù)寬帶通信系統和其它高性能RF技術(shù)不斷發(fā)展，測量系統也必須與之保持同步。過(guò)去，頻譜分析對于大多數一般性應用來(lái)講己經(jīng)足夠，矢量分析只用于更為特殊的測量中，如國防和信號監視場(chǎng)合。但矢量分析對測量快速移動(dòng)的寬帶與擴頻信號非常重要，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(lèi)，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(chǎng)合是用得最多的RF儀器，特別是用這類(lèi)儀器可以觀(guān)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(lèi)的模擬格式進(jìn)行解調。矢量?jì)x器包括矢量或實(shí)時(shí)信號分析儀，這類(lèi)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據。網(wǎng)絡(luò )分析儀一般用于RF元件的S參數測量。

　　更專(zhuān)業(yè)的RF儀器稱(chēng)為“測試臺”，針對特定的協(xié)儀或標準如藍牙、GSM或802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等做復雜測量。雖然價(jià)格昂貴，但它能夠按指定標準一次性完成所有必要的測量，可加快測試程序的開(kāi)發(fā),不過(guò)一般情況下速度比通用儀器慢。由于這一原因，它更適用于設計和開(kāi)發(fā)，而在制造測試環(huán)境下會(huì )給成本帶來(lái)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(hù)提供了不同的功能，它們要么建立在標量基礎上要么建立在矢量結構上，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。標量結構一般制造費用較低，在噪聲和相噪聲方面能提供優(yōu)越的性能。但因為是一種窄帶結構，它不太適合分析目前日益普遍應用的寬帶信號;此外它只能對觀(guān)察信號給出兩維(功率與頻率的關(guān)系)信息，而且一般比矢量結構要慢。

　　通信技術(shù)的發(fā)展

　　近十年來(lái)，寬帶已越來(lái)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從窄帶向具有高數據率的寬帶轉移。我們先來(lái)看一看通信技術(shù)的發(fā)展情況。

　　多年以來(lái)AM和FM無(wú)線(xiàn)電及傳統電話(huà)一直是最普遍使用的通信方式，這些系統的數據傳輸速率較低，需要的帶寬也有限，例如電話(huà)為8kHz，FM無(wú)線(xiàn)電為200kHz。但我們如今正在向3G蜂窩系統方向發(fā)展，這一系統使用5MHz頻帶，而像藍牙和IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)均要占據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等數字調制格式結合在一起，可以達到所要求的高數據率。

　　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用，很多調制方案、寬帶發(fā)送器、擴頻性能和RF發(fā)送與接收等都源于軍事應用。如今隨著(zhù)在研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的大量投資，以及半導體性?xún)r(jià)比大幅增長(cháng)，復雜的RF性能也在商業(yè)領(lǐng)域中逐漸得到應用。RF技術(shù)現在已融入到多種產(chǎn)品中，從電話(huà)到汽車(chē)鑰匙，而TV系統、衛星和電纜通信調制器之類(lèi)的寬帶應用也采用了RF技術(shù)。

通過(guò)矢量分析改進(jìn)RF測量技術(shù)

　　為精確捕獲和表征現代寬帶系統，測量也需要從窄帶測量設備向寬帶矢量?jì)x器轉換，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?jì)x器的價(jià)格一般高于標量?jì)x器，但它能提供更快的測量速度，產(chǎn)生更復雜的信號。特別是矢量?jì)x器比頻譜分析儀之類(lèi)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)行重新調諧的次數，使矢量?jì)x器能更快完成對整個(gè)頻譜的掃描。矢量結構還能產(chǎn)生大多數通信系統所使用的調制波形之類(lèi)的復雜信號。

　　當選擇矢量?jì)x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帶寬的數字衛星信號感興趣，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)運營(yíng)商使用通道的功率符合政府規定的規范要求，對這種測量來(lái)說(shuō)，矢量?jì)x器的實(shí)時(shí)帶寬至少應為器件帶寬的三倍。

　　除了捕獲寬帶信號外，矢量?jì)x器還能為測量應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，其測量速度是傳統儀器的30～200倍。

　　對于各種通用頻譜的采集，矢量?jì)x器速度更快且測量次數更多，矢量分析儀能夠采集到相位信息、幅值和頻率，傳統儀器一般做不到。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或調制分析中使用帶頻率的相位信息，得到被測信號更為詳細的視圖，這些優(yōu)點(diǎn)都使矢量分析儀比傳統頻率分析儀功能更為強大，更具靈活性。

　　圖1是頻譜分析儀采集到的調頻信號的頻譜，顯示圖里沒(méi)有任何動(dòng)態(tài)信息，既沒(méi)有頻譜變化率，也沒(méi)有調制在載波上的內容信號。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，表現了FM波形隨時(shí)間變化的關(guān)系，它使調制頻率下的內容信號(這里為正弦波)清晰可見(jiàn)。傳統頻譜分析儀不能顯示頻譜圖，所以不適合用來(lái)進(jìn)行調制分析。