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信号产生器频谱精纯度-无线通信系统和组件测试考虑要素
 

【作者: 鄭尚智】2000年01月01日 星期六

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测试无线通信系统时,经常需要使用具备干净的频谱精纯度的信号产生器。频谱精纯度的构成要素包括相位噪声、突波(spur)、残余FM和宽带噪声。这些要素经常是影响量测质量的关键。频谱精纯度对本地振荡器暂代、系统除错和窄频数字无线传输特别重要。开发接收器的组件如滤波器时,需要干净的信号供测试和系统除错使用。通常会使用信号产生器来取代电路板上的本地振荡器,以驱动混波器做信号的上下频率转换。此信号的相位噪声必须够低,才不会影响转换过之信号的特性。若要设计频道间隔很窄的数字应用所需的接收器,则需要相位噪声相当低的信号产生器,以防止相邻频道的信号溢入欲量测的频道。


从蜂巢式移动电话到无线数据传输,现今的无线通信市场正以惊人的速度不断扩张中。伴随高度成长而来的便是对测试设备的需求不断增加,以验证这些装置和系统的效能。信号产生器在开发接收器和发射器上,扮演了多方面的角色。它们可用来产生信号,从本地振荡器暂代用的简单正弦波,到接收器测试所需的完全调变的信号,范围很广。本篇文章所要探讨的重点是,进行RF通讯测试时,使用频谱精纯度相当高之信号产生器的重要性。理想的信号产生器可提供载波和旁波带频率的完美正弦波,然而在现实中,所有的信号都是有缺陷的。能事先洞察这些缺陷并纳入考虑,可协助工程师选出最适合的信号产生器和缩短开发时间。


何谓频谱精纯度?

频谱精纯度是信号原来的频率稳定度。稳定度是依据一段时间(不论是短时间或长时间)来定义的。长时间的稳定度,或称漂移,通常定义为频率在大于一秒的一段时间内的变化量。短时间的稳定度则定义为频率在不到一秒的时间内的变化量。目前的信号产生器技术一般都能提供相当好的长时间和短时间稳定度。若要进行无线通信测试,则短时间的稳定度比较重要。本篇文章将讨论频谱精纯度的构成要素,以及频谱精纯度在测试无线通信设备时的重要性。频谱精纯度的影响将简单地举本地振荡器暂代、相位噪声量测、接收器测试和雷达应用等例子来说明。


相位噪声

标示信号产生器的频谱精纯度最常用的方法就是相位噪声。在时域中,相位噪声看起来是正弦波跨零之处的一个颤动(图一)。即使是高性能的信号产生器,相位噪声也不一定都可以在时域中看出来。在频域中,相位噪声看起来是载波上的噪声旁波带(图二)。美国国家标准局将单一旁波带(SSB)的相位噪声L(f)定义为在离载波?Hz的频率中,1赫兹(Hz)带宽内的噪声功率相对于载波的信号功率的比值。


《图二 在频域中,相位噪声看起来是载波两边的噪声旁波带》
《图二 在频域中,相位噪声看起来是载波两边的噪声旁波带》

L(f) = 离载波fHz的频率中1Hz带宽内的噪声功率


载波的功率位准L(f)以相对于每Hz载波的dB值来表示(dBc/Hz)。使用1Hz的带宽是为了方便计算和比较其它带宽中的相位噪声。


特定载波频率之单一旁波带(SSB)的相位噪声经常以图形表示在对数-对数的坐标上,如(图三)所示。在频率轴上使用对数刻度,可以很方便地显示出频率范围很广的相位噪声。


《图三 典型的SSB相位-噪声图》
《图三 典型的SSB相位-噪声图》

旁生噪声

谐波、次谐波和非谐波旁生信号是出现在频谱中的频率「突波」(spike)。这些频谱成份可分成三大类:谐波、次谐波和非谐波(图四)。谐波是因信号产生器组件的非线性度而造成的,是载波频率的整数倍数。举例来说,100 MHz的载波频率会有200 MHz、300 MHz...以此类推的谐波。谐波的强度相对于载波信号的强度,取决于信号产生器组件的非线性特性。


《图四 谐波,次谐波和非谐波信号》
《图四 谐波,次谐波和非谐波信号》

将频率相乘以产生载波频率时,会产生次谐波。被相乘的频率可能会泄漏到信号路径中,而出现在输出端。举例来说,500 MHz的信号乘以2,变成1 GHz的载波频率,可能会跑出一个次谐波。非谐波是与载波频率无关的频率分量。虽然信号产生器的设计人员可以知道这些旁生信号的位置,但它们对用户来说还是无法预测的。现今的信号产生器可以将谐波、次谐波和非谐波压抑到对大部份应用来说可以接受的位准。


残余FM

残余FM是常用来标示信号产生器之频率稳定度的另一个规格。残余FM包含旁生信号和相位噪声两者的效应,它是SSB曲线的积分,积分的最大值取决于后置侦测带宽。一般的带宽为300 Hz到3 kHz以及20 Hz到15 kHz。


RF接收器设计需考虑的频谱精纯度

频谱精纯度佳的信号产生器对设计和验证模拟及数字通讯装置的人员非常重要。试举一个简单的通讯接收器(图五)为例,说明在实际的应用和量测中,相位噪声和旁生信号的影响力。此处所讨论的三个主要应用分别为本地振荡器(LO)暂代、相位噪声量测和接收器效能测试。这些全都需要使用频谱精纯度够佳的信号产生器。


《图五 简单的通讯接收器的方块图》
《图五 简单的通讯接收器的方块图》

本地振荡器暂代

开发接收器和发射器时,需要频谱上看起来很干净的本地振荡器,以进行信号的上下频率转换。进行测试和为系统除错时,通常会使用信号产生器来取代电路板上的本地振荡器。从接收器的向下频率转换来看,频谱精纯度对LO暂代的重要性显而易见。假设接收器的输入端有两个信号(图六),这两个信号与本地振荡器的信号一直到中频(IF)都是混在一起的。在此频率,选择度高的IF滤波器会将其中一个信号抽出来,做放大、侦测和基频处理。如果原来的信号是较大的那个信号,要将它滤出来一点都不难。


《图六 本地振荡器的相位噪声被直接灌到混波器的输出中相位噪声量测》
《图六 本地振荡器的相位噪声被直接灌到混波器的输出中相位噪声量测》

另一方面,如果原来的信号是较小的那个,问题可能就来了,因为本地振荡器信号上的任何相位噪声都会被直接灌到混波器的乘积中。请注意,灌入的噪声在混波器的输出中会将较小的信号完全屏蔽住。即使接收器的IF滤波功能可能足以移除较大信号的混频乘积,因灌入本地振荡器的噪声之故,较小信号的混频乘积再也无法滤出来了。


暂时取代本地振荡器的信号产生器终究还是要被真正的LO取代回去。因此,必须量测此电路板上的振荡器的相位噪声,以确保信号的质量。在此情况下,可以用相位噪声低的信号产生器来执行此量测。量测相位噪声的方法有很多。最灵敏的量测方法之一是双信号源的相位侦测器方法。在此相位侦测器方法中,待测信号的频率会被下转成0 Hz,并且在一个低频的频谱分析仪上加以检查。此法需要一个低噪声的本地振荡器,作为相位侦测器的参考。用双信号源的方法来量测相位噪声所采用的基本量测连接方式如(图七)所示。


《图七 双信号源相位侦测器方法的基本量测连接方法》
《图七 双信号源相位侦测器方法的基本量测连接方法》

上述双信号源方法测得的噪声代表待测信号源和参考信号源两者加起来的噪声。这是两者中任何一个的相位噪声上限。不过,如果参考信号源的相位噪声低于待测信号源,则可以量出待测信号源的相位噪声。


接收器效能测试

接收器完成设计后,必须执行各种测试,以确认设计参数是否符合规格。大部份接收器测试的主要目的是,量测接收器在有别的信号存在时,维持一定灵敏度水平的能力。接收器的效能验证测试可分为频道内和频道外测试。常见的频道内测试包括灵敏度和共同频道斥拒。常见的频道外测试则有旁生噪声斥拒、交互调变斥拒和相邻频道选择度。除了灵敏度外,所有这些测试都需要调变过或未调变的干扰信号,其可容许的不确定性、相位噪声和旁生信号如通讯标准所定义。(图八)显示共同频道或频道外斥拒量测的测试连接方式。


《图八 共同频道或频道外斥拒量测的测试连接方式》
《图八 共同频道或频道外斥拒量测的测试连接方式》

灵敏度

模拟接收器的灵敏度定义为,接收器可以成功地侦测和解调出输入信号的最小功率位准。数字接收器的灵敏度则定义为,当信号与虚拟随机二进制数据序列一起调变时,接收到的信号会产生所定之位错误率(BER)的中间位准。就灵敏度测试而言,信号产生器的重要规格是功率位准准确度,而非频谱精纯度。


共同频道斥拒

共同频道斥拒是量测存在频道内干扰信号时,接收器维持灵敏度的能力。此共同频道干扰信号经常是连续波(CW)信号(图九)。定义此测试的通讯标准会订出在CW频率的相位噪声和旁生信号规格。


《图九 共同频道斥拒》
《图九 共同频道斥拒》

交互调变斥拒

交互调变斥拒是量测接收器接收所要的调变信号时,不会因存在与所要的信号频率有特定频率关系之两个或更多个不要的信号,而超出一定衰减率的能力。一般来说,会使用两个频道外CW频率,使其第三个交互调变失真乘积落在所要的信号上面(图十)。交互调变斥拒可量测接收器斥拒掉此不要之失真的能力。


《图十 交互调变斥拒》
《图十 交互调变斥拒》

旁生噪声斥拒

旁生噪声防干扰度系量测在相邻和间隔频道测试所定的频率外,存在不要的输入信号时,接收器接收调变过之输入信号的能力。通讯标准会定义出旁生信号的频率位置以及可忍受的相位噪声位准。


相邻和间隔频道选择度

相邻频道选择度系量测通讯接收器处理所要的信号,同时斥拒掉相邻频道中很强的信号的能力。间隔频道(Alternate Channel)选择度是一种类似的测试,其中,干扰信号与接收器的通带间隔两个RF频道。这些测试对模拟和数字装置非常重要,因为其频道间隔很窄,在较小的空间中,许多信号可能会冲在一起。


相邻频道选择度对相位噪声的要求

对许多接收器来说,用以产生干扰信号之信号产生器的单一旁波带相位噪声是一个相当重要的频谱特性。如果IF滤波器之通带内的相位噪声能量过大,接收器可能会无法通过测试。此情况如(图十一)所示。


《图十一 相邻频道选择的相位噪声》
《图十一 相邻频道选择的相位噪声》

信号产生器的SSB相位噪声可从下列公式计算得出:


∮n = 10 * log(1/Be) - Pac - Pmar


其中 ∮n= 在频道间隔偏移位置,信号产生器的SSB相位噪声(dBc/Hz)


Be = 接收器的噪声等效带宽(Hz)


Pac = 相邻或间隔频道选择度的规格(dB)


Pmar = 测试边限(dB)


Be和Pac因规格或设计的关系是固定的,无法改变,因此,测试边限决定了信号产生器的相位噪声可以泄漏到接收器之IF通带的功率。因频道中衰减或接收器组件的不完美而导致信噪比恶化时,测试边限大可以提高您对接收器正常运作的信心。对于采用新技术或新操作频率的系统,应使用较大的测试边限,以补偿不确定性。


若接收器的噪声等效带宽为14 kHz,相邻频道的Pac为70 dB,边限为10 dB,频道间隔25 kHz,则在25 kHz 的偏移下,所求出的SSB相位噪声为(121 Bc/Hz。对一个模拟FM接收器来说,这是很典型的。与本例中的FM接收器不同的是,大部份数字通讯接收器的相邻频道选择度都不到15 dB。若一个GSM接收器的噪声等效带宽为200 kHz,相邻频道的Pac为9 dB,边限为10 dB,频道间隔200 kHz,则在200 kHz的偏移下,所求出的SSB相位噪声为(72 dBc/Hz。因此,SSB的相位噪声主要是受Pac影响。


(表一)列出各种通讯系统的相邻和间隔频道选择度的数值,以及需符合的信号产生器SSB相位噪声。使用的测试边限为10 dB。



《表一 可容许的最大SSB相位噪声》
《表一 可容许的最大SSB相位噪声》

很明显地,信号产生器的SSB相位噪声对许多数字RF通讯标准的相邻和间隔频道选择度测试来说,不如对模拟FM系统来得重要。就选择度测试而言,信号的频谱形状是最重要的特性。GSM、CDMA、NADC和PDC所使用的数字调变格式在特性上,会泄漏少量的功率到相邻的频道中。(图十二)、(图十三)、(图十四)依据(表一)所定的选择度数值,绘出振幅相对于频率的关系。频谱形状对接收器的相邻和间隔频道的影响相当明显。若要正确地测试数字无线接收器,信号产生器的相邻频道功率(ACP)必须低于需符合的系统规格加上所要的测试边限。


《图十三 NADC相邻和间隔频道选择度的频谱》
《图十三 NADC相邻和间隔频道选择度的频谱》
《图十四 PDC相邻和间隔频道选择度的频谱》
《图十四 PDC相邻和间隔频道选择度的频谱》

雷达

雷达的应用向来需要频谱上看起来很干净的信号产生器。都卜勒雷达系藉由量测反射信号回传的小量都卜勒频率偏移信号,来算出目标物的速度。逐渐接近雷达之目标物的反射信号与传送的载波相较,其频率会变高,而逐渐远离雷达之目标物的反射信号的频率则会变低。然而,反射信号包含的不光是目标物的反射而已。在空中雷达的例子中,反射信号还会包含「一大丛」的信号,它基本上是无法避免的从地面反射的频率偏移。(图十五)显示空中脉冲式都卜勒雷达典型的反射频谱。在某些情况下,主要发射信号与目标信号的比可能高达80 dB。若接收到的频谱有发射器振荡器或接收器LO所造成的频率不稳定情形,特别是相位噪声时,此问题会更加严重。一大丛信号上的这种相位噪声可能会将目标信号部份或完全屏蔽住,端视目标信号的相对强度及其频率与一大丛噪声信号的距离而定。


《图十五 空中脉冲式都卜勒雷达典型的反射频谱》
《图十五 空中脉冲式都卜勒雷达典型的反射频谱》

结论

随着无线通信革命不断往前推进,频谱也变得愈来愈拥挤,对信号带宽的要求也会愈来愈严格。因此,需要设计出一些系统,使得存在相邻频道信号和其它频道的干扰信号时,只有所要的信号会被侦测出来。通讯装置必须通过更严格的测试,同时,测试设备也必须符合这些严格的要求。频谱精纯的信号产生器可以补开发工程师使用之其它测试设备的不足,而且对本地振荡器暂代和接收器测试等一些应用来说,其价值更是不可言喻。(作者任职台湾安捷伦科技微波仪器工厂的产品经理)


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