1.當(dāng)前矢量信號分析儀計量校準(zhǔn)方法概述
目前常用的信號分析儀(VSA)計量方法采用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號源來進(jìn)行,優(yōu)點(diǎn)是簡單方便易于操作,缺點(diǎn)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(shí)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(diǎn)是將矢量參數(shù)溯源到功率電平、時間和頻率上,缺點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)偏移
實(shí)際測量信號原點(diǎn)與理想無誤差參考信號原點(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn),或其中一部分星座點(diǎn)。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(diǎn)。
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(diǎn)對稱的星座點(diǎn),各星座點(diǎn)幅度相同,我們把這些星座點(diǎn)稱為目標(biāo)星座點(diǎn)。
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(diǎn)相鄰點(diǎn)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(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)理想值。
調(diào)制方式原點(diǎn)對稱星座點(diǎn)相位差偏移頻率BPSKπ1/2·fsQPSKπ/21/4·fs8PSKπ/41/8·fs3/8Pi-8PSK3π/83/16·fsDQPSKπ/21/4·fsD8PSK3π/83/16·fsPi/4 DQPSKπ/41/8·fsOQPSKπ1/2·fsPi/4 QPSKπ/41/8·fsQAMπ/21/4·fs4.4. 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?yàn)樯嘞?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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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?yàn)樯嘞?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(diǎn)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(dú)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(diǎn)處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)參考信號,在VSA中心頻點(diǎn)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(diǎn)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?yàn)樯嘞?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