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信號產生器頻譜精純度-無線通訊系統和元件測試考量要素   【作者： 鄭尚智】   2000年01月01日 星期六

瀏覽人次：【6730】 測試無線通訊系統時，經常需要使用具備乾淨的頻譜精純度的信號產生器。頻譜精純度的構成要素包括相位雜訊、突波(spur)、殘餘FM和寬頻雜訊。這些要素經常是影響量測品質的關鍵。頻譜精純度對本地振盪器暫代、系統除錯和窄頻數位無線傳輸特別重要。開發接收器的元件如濾波器時，需要乾淨的信號供測試和系統除錯使用。通常會使用信號產生器來取代電路板上的本地振盪器，以驅動混波器做信號的上下頻率轉換。此信號的相位雜訊必須夠低，才不會影響轉換過之信號的特性。若要設計頻道間隔很窄的數位應用所需的接收器，則需要相位雜訊相當低的信號產生器，以防止相鄰頻道的信號溢入欲量測的頻道。 從蜂巢式行動電話到無線資料傳輸，現今的無線通訊市場正以驚人的速度不斷擴張中。伴隨高度成長而來的便是對測試設備的需求不斷增加，以驗證這些裝置和系統的效能。信號產生器在開發接收器和發射器上，扮演了多方面的角色。它們可用來產生信號，從本地振盪器暫代用的簡單正弦波，到接收器測試所需的完全調變的信號，範圍很廣。本篇文章所要探討的重點是，進行RF通訊測試時，使用頻譜精純度相當高之信號產生器的重要性。理想的信號產生器可提供載波和旁波帶頻率的完美正弦波，然而在現實中，所有的信號都是有缺陷的。能事先洞察這些缺陷並納入考量，可協助工程師選出最適合的信號產生器和縮短開發時間。 何謂頻譜精純度？ 頻譜精純度是信號原來的頻率穩定度。穩定度是依據一段時間(不論是短時間或長時間)來定義的。長時間的穩定度，或稱漂移，通常定義為頻率在大於一秒的一段時間內的變化量。短時間的穩定度則定義為頻率在不到一秒的時間內的變化量。目前的信號產生器技術一般都能提供相當好的長時間和短時間穩定度。若要進行無線通訊測試，則短時間的穩定度比較重要。本篇文章將討論頻譜精純度的構成要素，以及頻譜精純度在測試無線通訊設備時的重要性。頻譜精純度的影響將簡單地舉本地振盪器暫代、相位雜訊量測、接收器測試和雷達應用等例子來說明。 相位雜訊 標示信號產生器的頻譜精純度最常用的方法就是相位雜訊。在時域中，相位雜訊看起來是正弦波跨零之處的一個顫動(圖一)。即使是高性能的信號產生器，相位雜訊也不一定都可以在時域中看出來。在頻域中，相位雜訊看起來是載波上的雜訊旁波帶(圖二)。美國國家標準局將單一旁波帶(SSB)的相位雜訊L(f)定義為在離載波?Hz的頻率中，1赫茲(Hz)頻寬內的雜訊功率相對於載波的信號功率的比值。 《圖二　在頻域中，相位雜訊看起來是載波兩邊的雜訊旁波帶》

L(f) = 離載波ｆHz的頻率中1Hz頻寬內的雜訊功率

載波的功率位準L(f)以相對於每Hz載波的dB值來表示(dBc/Hz)。使用1Hz的頻寬是為了方便計算和比較其它頻寬中的相位雜訊。

特定載波頻率之單一旁波帶(SSB)的相位雜訊經常以圖形表示在對數-對數的座標上，如(圖三)所示。在頻率軸上使用對數刻度，可以很方便地顯示出頻率範圍很廣的相位雜訊。

《圖三　典型的SSB相位-雜訊圖》

旁生雜訊

諧波、次諧波和非諧波旁生信號是出現在頻譜中的頻率「突波」(spike)。這些頻譜成份可分成三大類：諧波、次諧波和非諧波(圖四)。諧波是因信號產生器元件的非線性度而造成的，是載波頻率的整數倍數。舉例來說，100 MHz的載波頻率會有200 MHz、300 MHz...以此類推的諧波。諧波的強度相對於載波信號的強度，取決於信號產生器元件的非線性特性。

《圖四　諧波,次諧波和非諧波信號》

將頻率相乘以產生載波頻率時，會產生次諧波。被相乘的頻率可能會洩漏到信號路徑中，而出現在輸出端。舉例來說，500 MHz的信號乘以2，變成1 GHz的載波頻率，可能會跑出一個次諧波。非諧波是與載波頻率無關的頻率分量。雖然信號產生器的設計人員可以知道這些旁生信號的位置，但它們對使用者來說還是無法預測的。現今的信號產生器可以將諧波、次諧波和非諧波壓抑到對大部份應用來說可以接受的位準。

殘餘FM

殘餘FM是常用來標示信號產生器之頻率穩定度的另一個規格。殘餘FM包含旁生信號和相位雜訊兩者的效應，它是SSB曲線的積分，積分的最大值取決於後置偵測頻寬。一般的頻寬為300 Hz到3 kHz以及20 Hz到15 kHz。

RF接收器設計需考量的頻譜精純度

頻譜精純度佳的信號產生器對設計和驗證類比及數位通訊裝置的人員非常重要。試舉一個簡單的通訊接收器(圖五)為例，說明在實際的應用和量測中，相位雜訊和旁生信號的影響力。此處所討論的三個主要應用分別為本地振盪器(LO)暫代、相位雜訊量測和接收器效能測試。這些全都需要使用頻譜精純度夠佳的信號產生器。

《圖五　簡單的通訊接收器的方塊圖》

本地振盪器暫代

開發接收器和發射器時，需要頻譜上看起來很乾淨的本地振盪器，以進行信號的上下頻率轉換。進行測試和為系統除錯時，通常會使用信號產生器來取代電路板上的本地振盪器。從接收器的向下頻率轉換來看，頻譜精純度對LO暫代的重要性顯而易見。假設接收器的輸入端有兩個信號(圖六)，這兩個信號與本地振盪器的信號一直到中頻(IF)都是混在一起的。在此頻率，選擇度高的IF濾波器會將其中一個信號抽出來，做放大、偵測和基頻處理。如果原來的信號是較大的那個信號，要將它濾出來一點都不難。

《圖六　本地振盪器的相位雜訊被直接灌到混波器的輸出中相位雜訊量測》

另一方面，如果原來的信號是較小的那個，問題可能就來了，因為本地振盪器信號上的任何相位雜訊都會被直接灌到混波器的乘積中。請注意，灌入的雜訊在混波器的輸出中會將較小的信號完全遮罩住。即使接收器的IF濾波功能可能足以移除較大信號的混頻乘積，因灌入本地振盪器的雜訊之故，較小信號的混頻乘積再也無法濾出來了。

暫時取代本地振盪器的信號產生器終究還是要被真正的LO取代回去。因此，必須量測此電路板上的振盪器的相位雜訊，以確保信號的品質。在此情況下，可以用相位雜訊低的信號產生器來執行此量測。量測相位雜訊的方法有很多。最靈敏的量測方法之一是雙信號源的相位偵測器方法。在此相位偵測器方法中，待測信號的頻率會被下轉成0 Hz，並且在一個低頻的頻譜分析儀上加以檢查。此法需要一個低雜訊的本地振盪器，作為相位偵測器的參考。用雙信號源的方法來量測相位雜訊所採用的基本量測連接方式如(圖七)所示。

《圖七　雙信號源相位偵測器方法的基本量測連接方法》

上述雙信號源方法測得的雜訊代表待測信號源和參考信號源兩者加起來的雜訊。這是兩者中任何一個的相位雜訊上限。不過，如果參考信號源的相位雜訊低於待測信號源，則可以量出待測信號源的相位雜訊。

接收器效能測試

接收器完成設計後，必須執行各種測試，以確認設計參數是否符合規格。大部份接收器測試的主要目的是，量測接收器在有別的信號存在時，維持一定靈敏度水準的能力。接收器的效能驗證測試可分為頻道內和頻道外測試。常見的頻道內測試包括靈敏度和共同頻道斥拒。常見的頻道外測試則有旁生雜訊斥拒、交互調變斥拒和相鄰頻道選擇度。除了靈敏度外，所有這些測試都需要調變過或未調變的干擾信號，其可容許的不確定性、相位雜訊和旁生信號如通訊標準所定義。(圖八)顯示共同頻道或頻道外斥拒量測的測試連接方式。

《圖八　共同頻道或頻道外斥拒量測的測試連接方式》

靈敏度

類比接收器的靈敏度定義為，接收器可以成功地偵測和解調出輸入信號的最小功率位準。數位接收器的靈敏度則定義為，當信號與虛擬隨機二進位資料序列一起調變時，接收到的信號會產生所定之位元錯誤率(BER)的中間位準。就靈敏度測試而言，信號產生器的重要規格是功率位準準確度，而非頻譜精純度。

共同頻道斥拒

共同頻道斥拒是量測存在頻道內干擾信號時，接收器維持靈敏度的能力。此共同頻道干擾信號經常是連續波(CW)信號(圖九)。定義此測試的通訊標準會訂出在CW頻率的相位雜訊和旁生信號規格。

《圖九　共同頻道斥拒》

交互調變斥拒

交互調變斥拒是量測接收器接收所要的調變信號時，不會因存在與所要的信號頻率有特定頻率關係之兩個或更多個不要的信號，而超出一定衰減率的能力。一般來說，會使用兩個頻道外CW頻率，使其第三個交互調變失真乘積落在所要的信號上面(圖十)。交互調變斥拒可量測接收器斥拒掉此不要之失真的能力。

《圖十　交互調變斥拒》

旁生雜訊斥拒

旁生雜訊防干擾度係量測在相鄰和間隔頻道測試所定的頻率外，存在不要的輸入信號時，接收器接收調變過之輸入信號的能力。通訊標準會定義出旁生信號的頻率位置以及可忍受的相位雜訊位準。

相鄰和間隔頻道選擇度

相鄰頻道選擇度係量測通訊接收器處理所要的信號，同時斥拒掉相鄰頻道中很強的信號的能力。間隔頻道(Alternate Channel)選擇度是一種類似的測試，其中，干擾信號與接收器的通帶間隔兩個RF頻道。這些測試對類比和數位裝置非常重要，因為其頻道間隔很窄，在較小的空間中，許多信號可能會衝在一起。

相鄰頻道選擇度對相位雜訊的要求

對許多接收器來說，用以產生干擾信號之信號產生器的單一旁波帶相位雜訊是一個相當重要的頻譜特性。如果IF濾波器之通帶內的相位雜訊能量過大，接收器可能會無法通過測試。此情況如(圖十一)所示。

《圖十一　相鄰頻道選擇的相位雜訊》

信號產生器的SSB相位雜訊可從下列公式計算得出：

∮n = 10 * log(1/Be) - Pac - Pmar

其中 ∮n= 在頻道間隔偏移位置，信號產生器的SSB相位雜訊(dBc/Hz)

Be = 接收器的雜訊等效頻寬(Hz)

Pac = 相鄰或間隔頻道選擇度的規格(dB)

Pmar = 測試邊限(dB)

Be和Pac因規格或設計的關係是固定的，無法改變，因此，測試邊限決定了信號產生器的相位雜訊可以洩漏到接收器之IF通帶的功率。因頻道中衰減或接收器元件的不完美而導致信噪比惡化時，測試邊限大可以提高您對接收器正常運作的信心。對於採用新技術或新操作頻率的系統，應使用較大的測試邊限，以補償不確定性。

若接收器的雜訊等效頻寬為14 kHz，相鄰頻道的Pac為70 dB，邊限為10 dB，頻道間隔25 kHz，則在25 kHz 的偏移下，所求出的SSB相位雜訊為(121 Bc/Hz。對一個類比FM接收器來說，這是很典型的。與本例中的FM接收器不同的是，大部份數位通訊接收器的相鄰頻道選擇度都不到15 dB。若一個GSM接收器的雜訊等效頻寬為200 kHz，相鄰頻道的Pac為9 dB，邊限為10 dB，頻道間隔200 kHz，則在200 kHz的偏移下，所求出的SSB相位雜訊為(72 dBc/Hz。因此，SSB的相位雜訊主要是受Pac影響。

(表一)列出各種通訊系統的相鄰和間隔頻道選擇度的數值，以及需符合的信號產生器SSB相位雜訊。使用的測試邊限為10 dB。

《表一　可容許的最大SSB相位雜訊》

很明顯地，信號產生器的SSB相位雜訊對許多數位RF通訊標準的相鄰和間隔頻道選擇度測試來說，不如對類比FM系統來得重要。就選擇度測試而言，信號的頻譜形狀是最重要的特性。GSM、CDMA、NADC和PDC所使用的數位調變格式在特性上，會洩漏少量的功率到相鄰的頻道中。(圖十二)、(圖十三)、(圖十四)依據(表一)所定的選擇度數值，繪出振幅相對於頻率的關係。頻譜形狀對接收器的相鄰和間隔頻道的影響相當明顯。若要正確地測試數位無線接收器，信號產生器的相鄰頻道功率(ACP)必須低於需符合的系統規格加上所要的測試邊限。

《圖十三　NADC相鄰和間隔頻道選擇度的頻譜》