使用矢量分析對(duì)RF進(jìn)行有效測(cè)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(cè)量系統(tǒng)也必須與之保持同步。過(guò)去，頻譜分析對(duì)于大多數(shù)一般性應(yīng)用來(lái)講己經(jīng)足夠，矢量分析只用于更為特殊的測(cè)量中，如國(guó)防和信號(hào)監(jiān)視場(chǎng)合。但矢量分析對(duì)測(cè)量快速移動(dòng)的寬帶與擴(kuò)頻信號(hào)非常重要，而且它在通用RF信號(hào)分析中也有很多優(yōu)點(diǎn)，可以極大提高測(cè)量速度。 

RP測(cè)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(cè)量，在許多通用場(chǎng)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(duì)AM、FM和PM之類的模擬格式進(jìn)行解調(diào)。矢量?jī)x器包括矢量或?qū)崟r(shí)信號(hào)分析儀，這類儀器可分析寬帶波形并從感興趣的信號(hào)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(cè)量。 

更專業(yè)的RF儀器稱為“測(cè)試臺(tái)”，針對(duì)特定的協(xié)儀或標(biāo)準(zhǔn)如藍(lán)牙、GSM或802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等做復(fù)雜測(cè)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(cè)量，可加快測(cè)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(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，而在制造測(cè)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(cè)試臺(tái)——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(hào)；此外它只能對(duì)觀察信號(hào)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(lái)，寬帶已越來(lái)越變成一個(gè)重要的考慮因素，對(duì)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(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(wú)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(wú)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(guó)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域的大量投資，以及半導(dǎo)體性價(jià)比大幅增長(zhǎng)，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(guò)矢量分析改進(jìn)RF測(cè)量技術(shù)

 為精確捕獲和表征現(xiàn)代寬帶系統(tǒng)，測(cè)量也需要從窄帶測(cè)量設(shè)備向?qū)拵�矢量�(jī)x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(cè)器件所有發(fā)送的信號(hào)。

 雖然矢量?jī)x器的價(jià)格一般高于標(biāo)量?jī)x器，但它能提供更快的測(cè)量速度，產(chǎn)生更復(fù)雜的信號(hào)。特別是矢量?jī)x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(duì)濾波器進(jìn)行重新調(diào)諧的次數(shù)，使矢量?jī)x器能更快完成對(duì)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(hào)。 

當(dāng)選擇矢量?jī)x器測(cè)量寬帶信號(hào)時(shí)，需要同時(shí)考慮被測(cè)器件帶寬和所有其它測(cè)量因素。例如你可能對(duì)分析僅有4MHz帶寬的數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)感興趣，但同時(shí)也必須測(cè)量相鄰信道的功率，以確定發(fā)送器信號(hào)侵入其它服務(wù)運(yùn)營(yíng)商使用通道的功率符合政府規(guī)定的規(guī)范要求，對(duì)這種測(cè)量來(lái)說(shuō)，矢量?jī)x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(hào)外，矢量?jī)x器還能為測(cè)量應(yīng)用提供許多其它重要優(yōu)點(diǎn)。例如對(duì)一個(gè)跨度很大的頻率范圍進(jìn)行頻譜掃描或其它測(cè)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(cè)試時(shí)間。像國(guó)家儀器公司的新型RF信號(hào)分析儀具有20MHz實(shí)時(shí)帶寬，其測(cè)量速度是傳統(tǒng)儀器的30～200倍。 

對(duì)于各種通用頻譜的采集，矢量?jī)x器速度更快且測(cè)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(duì)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(cè)信號(hào)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(hào)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(diào)制在載波上的內(nèi)容信號(hào)。圖2是矢量分析儀顯示的頻譜圖，即輸入信號(hào)的時(shí)間-頻率分析圖。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)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(hào)(這里為正弦波)清晰可見(jiàn)。傳統(tǒng)頻譜分析儀不能顯示頻譜圖，所以不適合用來(lái)進(jìn)行調(diào)制分析。

作者：Carl Petersen
產(chǎn)品經(jīng)理
高頻測(cè)量產(chǎn)品部
國(guó)家儀器公司