矢量信號分析儀計量方法 - 載波偏移法

1.當(dāng)前計量校準(zhǔn)方法概述

目前常用的信號分析儀(VSA)采用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號源來進(jìn)行，優(yōu)點是簡單方便易于操作，缺點是無法保證“標(biāo)準(zhǔn)源”的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。

國際上的計量機(jī)構(gòu)，如德國PTB、英國NPL、美國NIST采用高速采樣示波器和多載波信號源，通過同步觸發(fā)裝置進(jìn)行時間和相位同步并進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，示波器的采樣值，經(jīng)過軟件程序計算后，作為幅度相位參數(shù)基準(zhǔn)，從而實現(xiàn)信號分析儀參數(shù)的計量校準(zhǔn)。

多載波信號源+示波器+同步器優(yōu)點是將矢量參數(shù)溯源到功率電平、時間和頻率上，缺點是示波器頻率范圍受限，不確定度較大，同步延時在微波測量時帶來較大的相位誤差，系統(tǒng)復(fù)雜，引入更多的不確定度。

2.本文提出的計量校準(zhǔn)技術(shù)

本文提出連續(xù)波頻率偏移法測量信號分析儀的剩余誤差，基于本方法，加入模擬調(diào)制測量信號分析儀的測量準(zhǔn)確度。

a.連續(xù)波頻率偏移法：計量信號分析儀的載波頻率誤差、功率誤差、矢量信號分析剩余誤差(表征信號分析儀解調(diào)各項指標(biāo)的本底噪聲);

b.連續(xù)波頻率偏移附加模擬調(diào)制法：矢量信號分析儀的誤差矢量幅度EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定

c.多載波法：矢量信號分析儀的I/Q偏移(載波泄漏)的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定

3.量值定義

3.1. I/Q信號

矢量是一個圖解工具，就是在直角坐標(biāo)系中用一個旋轉(zhuǎn)箭頭描述信號，箭頭的長度代表信號峰值幅度，箭頭與橫軸的正半軸夾角為相位，箭頭逆時針旋轉(zhuǎn)為正方向，每秒鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為頻率。

將信號進(jìn)行矢量分解，即分解為峰值幅度相同、頻率相同但相位相差90度的兩個分量。通常采用一個余弦信號和一個正弦信號描述這兩個信號。其中余弦分量為同相分量I，正弦分量為正交分量Q。

3.2. 誤差矢量幅度(EVM)

誤差矢量(EV)是實際測量信號(m)與理想無誤差參考信號(R)的矢量差。誤差矢量幅度通常表述為其與參考信號幅度的百分比。

3.3. 幅度誤差

實際測量信號(m)與理想無誤差參考信號(R)的幅度差。幅度誤差通常表述為其與參考信號幅度的百分比。

3.4. 相位誤差

實際測量信號(m)與理想無誤差參考信號(R)的相位差。

3.5. 原點偏移

實際測量信號原點與理想無誤差參考信號原點之間矢量差的幅度。通常表述為其與參考信號幅度的比值(dB)。

3.6. I/Q不平衡

I/Q不平衡包括幅度(增益) 不平衡和相位(正交)不平衡。

3.7. 載波頻率誤差

實際測量信號頻率與理想無誤差參考信號頻率差。

3.8. 平均功率

實際測量信號的平均功率。

4.連續(xù)波頻率偏移法(CWO)

4.1. 適用范圍

本方法用來測量和評價矢量信號分析儀的解調(diào)分析參數(shù)的剩余固有誤差(VSA噪聲)。

適用于以下數(shù)字調(diào)制方式：MSK, PSK, QAM;

適用于頻譜及矢量信號分析儀的以下參數(shù)的計量校準(zhǔn)：

頻率誤差，功率電平誤差，剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點偏移(載波泄漏)，剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡

4.2. 計量校準(zhǔn)設(shè)備

計量校準(zhǔn)設(shè)備是合適頻率范圍的射頻微波信號發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率。

4.3. 連續(xù)波頻率偏移法(CWO)原理

目標(biāo)是產(chǎn)生校準(zhǔn)信號，對應(yīng)矢量信號分析儀(VSA)的響應(yīng)數(shù)字解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)星座點，或其中一部分星座點。根據(jù)I/Q矢量解調(diào)原理，通過設(shè)置校準(zhǔn)信號與VSA中心頻率差對應(yīng)的I/Q相位差，得到準(zhǔn)確的I/Q矢量圖和星座點。

分析數(shù)字調(diào)制方式MSK, PSK 和QAM，發(fā)現(xiàn)其矢量星座圖中包含N個原點對稱的星座點，各星座點幅度相同，我們把這些星座點稱為目標(biāo)星座點。

經(jīng)過頻率和功率電平溯源的信號發(fā)生器產(chǎn)生的校準(zhǔn)信號，即輸入VSA的射頻信號為連續(xù)正弦波，其頻率與VSA的中心頻率具有頻率差Δf。

當(dāng)ΔΦ等于目標(biāo)星座點相鄰點相位差，Δt=1/fs(fs是VSA的采樣符號速率)時，在I/Q解調(diào)矢量圖上，此時的理論I/Q曲線對應(yīng)一個圓：2·π·Δf·Δt，由此產(chǎn)生的校準(zhǔn)信號對應(yīng)這些目標(biāo)星座點的標(biāo)準(zhǔn)理想值。

4.4. 測試校準(zhǔn)方法

信號發(fā)生器的頻率和功率電平為校準(zhǔn)溯源參數(shù)，頻率參數(shù)：采用信號發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn);功率電平參數(shù)：采用功率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn)。

被測VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，對應(yīng)濾波器可不設(shè)(矩形)，或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號發(fā)生器與VSA的射頻端口，設(shè)置合適的功率電平，它們的頻率偏差按照上表對應(yīng)的調(diào)制方式設(shè)置。

讀取VSA的頻率誤差、功率電平誤差及各項解調(diào)參數(shù)剩余(固有)誤差，如剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點偏移(載波泄漏)，剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡。

5.連續(xù)波頻率偏移附加模擬調(diào)制(CWO-MOD)

5.1. 適用范圍

矢量信號分析儀的數(shù)字矢量解調(diào)參數(shù)的量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定：

· EVM、幅度誤差和相位誤差。

5.2. 計量校準(zhǔn)裝置

計量校準(zhǔn)裝置是具有模擬調(diào)制功能(AM,FM,PM)的射頻微波信號發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率、模擬調(diào)制度。

5.3. 測試原理

在連續(xù)波頻率偏移法的基礎(chǔ)上，附加可溯源的模擬調(diào)制，模擬調(diào)制的量值與數(shù)字矢量調(diào)制的量值具有準(zhǔn)確并唯一的對應(yīng)關(guān)系。

通過連續(xù)波頻率偏移法，在VSA的目標(biāo)星座點處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號，通過調(diào)幅預(yù)設(shè)幅度失真，通過調(diào)頻或調(diào)相預(yù)設(shè)相位失真。以上預(yù)設(shè)失真值作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，從而測量和檢定矢量信號分析儀的數(shù)字矢量解調(diào)EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準(zhǔn)確度。

5.4. 測試校準(zhǔn)方法

信號發(fā)生器的校準(zhǔn)溯源參數(shù)包括，頻率和功率電平，模擬調(diào)制頻率和調(diào)制度。

· 頻率參數(shù)：采用信號發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn);

· 功率電平參數(shù)：采用功率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn);

· 模擬調(diào)制參數(shù)：調(diào)制度分析儀或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn)。

被測VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，其數(shù)值遠(yuǎn)大于信號發(fā)生器模擬調(diào)制頻率，測量點數(shù)遠(yuǎn)大于符號率與調(diào)制頻率的比值。對應(yīng)濾波器可不設(shè)(矩形)，或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號發(fā)生器與VSA的射頻端口，設(shè)置合適的功率電平，它們的頻率偏差Δf按照上表對應(yīng)的調(diào)制方式設(shè)置。

設(shè)置調(diào)幅(AM)調(diào)制方式，調(diào)制頻率遠(yuǎn)小于符號率，預(yù)設(shè)調(diào)制度作為校準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)值，以調(diào)制度分析儀或測量接收機(jī)的AM調(diào)制度讀數(shù)為基準(zhǔn)(am%)，同時讀取剩余調(diào)相PM調(diào)制度(pm°)。

讀取VSA的幅度誤差Emag%，其峰值(Peak)對應(yīng)am%的峰值(PK)，均方根值(RMS)對應(yīng)am%的均方根值(RMS)。

幅度誤差測量準(zhǔn)確度：Emag% - am%。

讀取VSA的誤差矢量幅度EVM%，理論參考由AM調(diào)制度am%和剩余pm構(gòu)成

· AM校準(zhǔn)信號的AM調(diào)制度，對應(yīng)幅度誤差設(shè)定值

EVM_am ~ am%

· AM校準(zhǔn)信號的剩余調(diào)相為pm°，對應(yīng)誤差

EVM_pm=2·sin(pm·π/360)*100%

· 參考均方根值，均方根值EVM測量準(zhǔn)確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_am = am%

設(shè)置調(diào)相(PM)調(diào)制方式，調(diào)制頻率遠(yuǎn)小于符號率，預(yù)設(shè)調(diào)制度作為校準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)值，以調(diào)制度分析儀或測量接收機(jī)的PM調(diào)制度讀數(shù)(pm°)為基準(zhǔn)，同時讀取剩余調(diào)幅am%。

· PM校準(zhǔn)信號的PM調(diào)制度，對應(yīng)相位誤差設(shè)定值

EVM_pm ~2·sin(pm·π/360)*100%

· AM校準(zhǔn)信號的剩余調(diào)相為am，對應(yīng)誤差

EVM_am ~ am%

· 參考均方根值，均方根值EVM測量準(zhǔn)確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_pm

6.連續(xù)波頻率偏移多載波法

6.1. 適用范圍

矢量信號分析儀的原點偏移(本振泄漏)量值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)和檢定：

6.2. 計量校準(zhǔn)裝置

計量校準(zhǔn)裝置是多載波信號發(fā)生器或并供參考的獨立的兩臺信號發(fā)生器，溯源標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是頻率和功率。

6.3. 測試原理和方法

在連續(xù)波頻率偏移法的基礎(chǔ)上，在VSA的目標(biāo)星座點處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號，在VSA中心頻點輸入另一個連續(xù)波信號，代表本振泄漏電平，泄漏電平與參考信號電平之比，即原點偏移。

信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個不同頻率和電平的信號，輸入VSA。

6.4. 測試校準(zhǔn)方法

信號發(fā)生器的頻率和功率電平為校準(zhǔn)溯源參數(shù)，頻率參數(shù)：采用信號發(fā)生器連接外參考標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn);功率電平參數(shù)：采用功率計或測量接收機(jī)監(jiān)測校準(zhǔn)。

被測VSA設(shè)置為校準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)制方式，中心頻率在其頻率范圍內(nèi)選擇，符號速率在其指標(biāo)范圍內(nèi)選擇，對應(yīng)濾波器可不設(shè)(矩形)，或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數(shù)0.22。

連接信號發(fā)生器與VSA的射頻端口，信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個不同頻率和電平的信號，輸入VSA。通過連續(xù)波頻率偏移法，設(shè)置第一載波頻率，在VSA的目

標(biāo)星座點處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號;在VSA中心頻點處，輸入第二載波信號，其電平小于第一載波。兩個電平差值對應(yīng)原點偏移。

7.總結(jié)

以目前常用的信號分析儀(VSA)的測試情況來看，由于計量信號是單載波連續(xù)波，儀器在VSA解調(diào)測試時通常會發(fā)出警告，提示本信號并非數(shù)字調(diào)制信號，但是不影響EVM以及頻率、幅度和相位誤差的測試結(jié)果。

根據(jù)本文的連續(xù)波頻率偏移法，測量信號分析儀的MSK、PSK和QAM解調(diào)的剩余誤差是可行的。另外，利用可溯源的模擬調(diào)制，測量信號分析儀的測量準(zhǔn)確度。