常用射频指标测试大纲

常用射频指标测试大纲常用射频指标测试大纲通信对抗2015/10/30Ver. 1. 0目录目录11. IdB 压缩点（PldB） （1）1. 1基本概念（1）1.2测量方法（1）2. 三阶交调（IP3）（2）2. 1基本概念（2）3. 三阶互调（IM3） （4）3. 1基本概念（4）3. 2测量方法（5）3. 2. 1直接测量（5）3. 2.2间接法（5）4. 噪声系数（NF） （5）4. 1基本概念（5）4. 2测量方法（6）4. 2. 1使用噪声系数测试仪（6）4. 2. 2增益法（6）4. 2. 3Y因数法（8）4. 2. 4测量方法小结（10）5. 灵敏度（10）5. 1基本概念（10）5. 2测量方法(11)5. 2. 1间接法-噪声系数法测量(11)5. 2.2直接法-临界灵敏度测量(11)6. 镜频抑制(11)6. 1基本概念(11)6. 2测量方法(12)7. 相位噪声(13)7. 1基本概念(13)7. 2测量方法(13)7. 2. 1基于频谱仪的相位噪声测试方法(13)1. IdB 压缩点(PldB)1. 1基本概念射频电路(系统)有一个线性动态范围，在这个范围内，射频电路(系统)的输出功率随输入功率线性增加，即输出功率P out- P in二G,输出信号的功率步进等于输入信号的 功率步进AP out二AP in,这种射频电路（系统）称之为线性射频电路（系统），这两个 功率之比就是功率增益Go随着输入功率的继续增大，射频电路（系统）进入非线性区，其输出功率不再随输入功 率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。当输出功率满足P out - P in二G - 1时，对应的P out即为输出IdB压缩点，对应的P in即为输入IdB压 缩点。通常把增益下降到比线性增益低IdB时的输出功率值定义为输出功率的IdB压缩点，用 PldB表示（图1）。典型情况下，当功率超过PldB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或 完全饱和的输出功率，其值比PldB大3dB4dB。IdB压缩点愈大，说明射频电路（系统）线性动态范围愈大。图1输出功率随输入功率的变化曲线1. 2测量方法频谱仪直接测量。1, DUT的输入端连接信号源，输出端连接频谱仪；2, 将输入信号的功率由小至大缓慢增加，并记录输入功率、输出功率极其差值，保证DUT由线性区逐步进入非线性区。在过渡区适当减小功率步进；3, 当增益G减小1时所对应的点即为IdB压缩点。2. 三阶交调（IP3）2. 1基本概念当两个正弦信号经过射频电路（系统）时，此时由于射频电路（系统）的非线性作用， 会输出包括多种频率的分量，其中以三阶交调分量的功率电平最大，它是非线性中的三次项 产生的。假设两基频信号的频率分别是F1和F2,那么，三阶交调分量的频率为2F1-F2和 2F2-F1 o图2是输入信号和输出信号的频谱图。图2输入、输出频谱图当输入功率逐渐增加到NP3时，基频与三阶交调增益曲线相交，对应的输出功率为0IP3o IIP3与0IP3分别被定义为输入三阶交调截取点(InputThird-order Intercept Point)和 输出三阶交调截取点(Output Third-order Intercept Point)。三阶交调截取点(IP3)是表示线性度或失真性能的重要参数，IP3越高表示线性度越好 和更少的失真。图3中A线是基频(有用的)信号输出功率随输入功率变化的曲线，B线是三阶失真输出 功率随输入功率变化的曲线，B线的斜率是A线的斜率的3倍(以dB为单位)，理论上会 与A相交，这个交点就是三阶截取点。假定射频电路(系统)的增益为G,它表示图3中A线(基频)的斜率，3G则表示图3 中B线(三阶交调)的斜率，即在线性范围内，三阶交调输出功率是一阶交调输出功率的3 倍。故两曲线的方程分别为：0IP3-a=G (IIP3-Pi)及0IP3b = 3G (IIP3-Pi),则有 0IP3 = a+ (ab)/2= (3a-b)/2=1. 5 (a-b)+b 及 0IP3=IIP3+G图3功率变化曲线2. 2测量方法进行此测量时，重要的是两测试信号源间有充分的隔离，从而防止产生更多的互调产物。 可能需要使用隔离器、固定衰减器、隔离放大器或高隔离威尔金森功率合路器，可能还需要 低通滤波器来衰减信号源的2次谐波。图4为IP3测试框图，在信号源和频谱分析仪之间，附加了一些测试设备。附加在射频 信号源与合成器之间的隔离器用以改善并隔离射频信号源之间的交调或混合，低通滤波器用 以减少射频信号源的谐波成分。附加在被测放大器与频谱分析之间的隔离器用以改善与频谱 分析仪的阻抗匹配，低通滤波器用以减少由被测放大器产生的谐波分量。为了避免频谱分析仪产生非线性失真，输出到频谱分析仪的信号功率不能太高，对此要 求射频信号源的输出功率要小，由图3可以看出，三阶交调输出功率（图3中的b点）比一 阶交调输出功率（图3中的a点）要小很多倍，那么对测量的频谱分析仪的要求需要有高的 动态范围。综合以上的考虑后，要精确的测量IP3需要谨慎遵守几个步骤：1, 按照图4测试框连接好设备；2, 设置射频信号源F1的频率和输出功率；3, 设置射频信号源F2的频率和输出功率；4, 设置频谱分析仪衰减电平、参考电平、中心频率、范围（SPAN）、分辨率等参数；5, 提供符合被测件的工作条件（电压，电流）；6, 调整射频信号源的输出功率并在频谱分析仪测得F1或F2的输出功率，此为a点的值 并记录（比如-lOdBm）；7, 调整频谱分析仪测得2F1-F2或2F2-F1的输出功率并记录，此为b点的值；8, 用公式计算出0IP3和IIP3o图4 IP3测试框图3. 三阶互调（IM3）3. 1基本概念三阶互调是指当两个基频信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个基频信号 的二次谐波与另一个基频信号产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。比如F1的二次谐波是 2F1,他与F2产生了寄生信号2F1-F2O由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基频信号（一阶信号），他们俩的合称为三阶互 调信号。又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶 互调失真信号。产生这个信号的过程称为三阶互调失真。由于F2, F1信号一般比较接近， 所以2F1-F2, 2F2-F1会干扰到原来的基频信号Fl, F2（见图2） o这就是三阶互调干扰。既然会出现三阶，当然也有更高阶的互调，这些信号也干扰原来的基带信号，因为产生 的互调阶数越高信号强度就越弱，所以三阶互调是主要的干扰，考虑的比较多。不管是有源还是无源器件，如射频电路（系统）、混频器和滤波器等都会产生三次互调 产物。3. 2测量方法3. 2. 1直接测量用频谱分析仪直接测量DUT输出端的基频信号输出功率Pout （dBm）和三阶互调输出功率P (dBm)o则三阶互调抑制度由(5)计算。3. 2.2间接法用三阶截取点来定义三阶互调抑制度，三阶截取点0IP3 (dBm).基频信号输出功率Pout(dBm)和三阶互调IM3 (dBc)的关系如下：IM3=2(Pout-0IP3)4. 噪声系数(NF )4. 1基本概念在无线通信系统中，噪声系数(NF)或者相对应的噪声因数(F)定义了噪声性能和对接收机 灵敏度的贡献。噪声系数(噪声因数)包含了射频系统噪声性能的重要信息，标准的定义为：两者简单的关系为：NF二10 * loglO (F)IM3 (dBc) =Pout (dBm)P(dBm)4. 2测量方法4. 2. 1使用噪声系数测试仪图5噪声系数测试仪连接框图噪声系数测试仪，如Agilent的N8973A噪声系数分析仪，产生28VDC脉冲信号驱动噪声 源(HP346A/B),该噪声源产生噪声驱动待测器件(DUT)。使用噪声系数分析仪测量待测器件的 输出。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，DUT的噪声系数可以在内部计算和在屏幕 上显示。对于某些应用(混频器和接收机)，可能需要本振(L0)信号，如图5所示。当然，测 量之前必须在噪声系数测试仪中设置某些参数，如频率范围、应用(放大器/混频器)等。使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法。在大多数情况下也是最准确地。工 程师可在特定的频率范围内测量噪声系数，分析仪能够同时显示增益和噪声系数帮助测量。 分析仪具有频率限制。例如，Agilent N8973A可工作频率为10MHz至3GHz。当测量很高的噪 声系数时，例如噪声系数超过10dB,测量结果非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。4. 2. 2增益法前面提到，除了直接使用噪声系数测试仪外还可以采用其他方法测量噪声系数。这些方 法需要更多测量和计算，但是在某种条件下，这些方法更加方便和准确。其中一个常用的方 法叫做“增益法”，它是基于前面给出的噪声因数的定义：在这个定义中，噪声由两个因素产生：第一个是到达射频系统输入的干扰，与需要的有 用信号不同；第二个是由于射频系统载波的随机扰动(LNA,混频器和接收机等)。第二种情况 是布朗运动的结果，应用于任何电子器件中的热平衡，器件的可利用的噪声功率为：P NA 二 k*T* A F这里的k二波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/AK)T二温度，单位为开尔文AF二噪声带宽(Hz)在室温(290 AK)时，噪声功率谱密度P NAD二-174dBm/Hz。因而我们有以下的公式：NF 二 P N0UT - (-174dBm/Hz + 20 * loglO (BW) + G)在公式中，P NOUT是已测的总共输出噪声功率；-174dBm/Hz是290 K时环境噪声的功率谱密度；BW是感兴趣的频率带宽；G是系统的增益；NF是DUT的噪声系数。公式中的每个变量均为对数。为简化公式，我们可以直接测量输出噪声功率谱密度(dBm/Hz),这时公式变为：NF 二 P NOUTD + 174dBm/Hz - G为了使用增益法测量噪声系数，DUT的增益需要预先确定的。DUT的输入需要端接特性阻 抗(射频应用为50Q,视频/电缆应用为75Q)。输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。图6为增益法连接框图。作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数。在指定的LNA增 益设置和V AGC下测量得到的增益为80dB。接着，如图6连接仪器，射频输入用50Q负载端 接。在频谱仪上读出输出噪声功率谱密度为-90dBin/Hz。为获得稳定和准确的噪声密度读数， 选择最优的RBW （解析带宽）与VBW （视频带宽）为RBW/VBW二0.3。计算得到的NF为：-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB 二 4. OdB只要频谱分析仪允许，增益法可适用于任何频率范围内。最大的限制来自于频谱分析仪 的噪声基底。在公式中可以看到，当噪声系数较低（小于10dB ）时，（P OUTD -增益）接近 于-170dBm/Hz ,通常LNA的增益约为20dB。这样我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率谱 密度，这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。在上面的例子中，系统增益非常高，因而大多 数频谱仪均可准确测量噪声系数。类似地，如果DUT的噪声系数非常高（高于30dB ）,这 个方法也非常准确。4. 2. 3 Y因数法Y因数法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。为了使用Y因数法，需要ENR （冗余 噪声比）源。这和前面噪声系数测试仪部分提到的噪声源是同一个东西。ENR头通常需要高 电压的DC电源，比如HP346A/B噪声源需要28VDC。这些ENR头能够工作在非常宽的频段（例 如HP346A/B为10MHz至18GHz）,在特定的频率上本身具有标准的噪声系数参数，在标识频 率之间的频率的噪声系数可通过外推法得到。装置图见图7：开启或者关闭噪声源（通过开关DC电压）,工程师可使用频谱分析仪测量输图6增益法连接框图出噪声功率谱密度的变化。计算噪声系数的公式为：在这个式子中，ENR为上表给出的值。通常ENR头的NF值会列出。Y是输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的差值。这个公式可从以下得到：ENR噪声头提供两个噪声温度的噪声源：热温度时T二TH （直流电压加电时）和冷温度T二290 K。ENR噪声头的定义为：冗余噪声通过给噪声二极管加偏置得到。现在考虑在冷温度T二290 K时与在热温度T二 T H时放大器(DUT)功率输出比：这就是Y因数法，名字来源于上面的式子。根据噪声系数定义,F = Tn/290+l, F是噪声因数(NF二10 * log(F),因而，Y = ENR/F+1。在这个公式中，所有变量均是线性关系，从这个式子可得到上面的噪声系数公式。我们再次使用MAX2700作为例子演示如何使用Y因数法测量噪声系数。装置图见图3。连接HP346A ENR到RF的输入。连接28V直流电压到噪声源头。我们可以在频谱仪上监视输出噪声功率谱密度。开/关直流电源，噪声谱密度图7 Y因数法连接框图Y 二 G(Th + Tn)/G(290 + Tn)二(Th/290 + Tn/290)/(l + Tn/290从-90dBm/Hz变到-87dBm/Hzo所以Y二3dBo为了获得稳定和准确的噪声功率谱密度读 数，RBW/VBW设置为0.3。从表2得到，在2GHz时ENR二5. 28dB,因而我们可以计算NF的值 为 5. 3dBo4. 2. 4测量方法小结三种测试方法各有其优缺点，适用于特定的应用。下表是三种方法优缺点的总结。理论 上，同一个射频器件的测量结果应该一样，但是由于射频设备的限制(可用性、精度、频率范 围、噪声基底等)，必须选择最佳的方法以获得正确的结果。5. 灵敏度5. 1基本概念接收机灵敏度是指接收机在满足一定的误码率条件下接收机输入端需输入的最小信号电 平。在通信过程中，灵敏度直接反应了接收机接收、解调无线信号的能力，关系到无线通信 设备的通信质量和服务质量，对于无线覆盖、互联互通、网络优化也具有重要意义。噪声系数和灵敏度都是衡量接收机对微弱信号接收能力的两种表示方法，它们是可以相 互换算的。s=-174dBm+NF+SNR+10*1o g10(BW)其中，NF为接收机噪声系数；SNR为满足一定误码率所需的最低信噪比；BW为接收机工作带宽。5. 2测量方法5. 2. 1间接法-噪声系数法测量由5. 1中灵敏度的基本概念可以通过测量噪声系数来间接估算出接收机的灵敏度。由于 不同通信编码在实际工程中的SNR是已知的，只要测量出系统的噪声系数就可以计算出灵敏 度。5. 2. 2直接法-临界灵敏度测量信号源待测器件示波器图8测试框图具体测量方法：1）按图8连接好测试设备，确保接收机正常工作。2）只给接收机加电工作不让信号源工作，记录示波器噪声均方值。3）开启信号源，让射频输出约-120 dBm的余弦小功率信号。记录示波器显示的噪声加信 号后的均值，将信号源输出功率调整使得输出信号的均方值与2中的噪声均方值的比值为 1.426 （此时信噪比为0），此时信号源输出的功率即为临界灵敏度。6. 镜频抑制6.1基本概念镜像频率抑制是超外差接收机特有的现象，镜像频率如果位于输入回路的通频带内，通 过外差的变频作用就会把镜像频率的位置以及附近电台信号搬移到中频带内，对接收信号形 成干扰。如果镜像频率附近无信号，就只增加了点噪声降低了信噪比；如果镜像频率处正好 有一个电台信号，该信号就会和接收信号差拍形成嚣叫，较强的镜像频率会喧宾夺主，抑制 掉输入信号；如果电台信号不在镜像频点上，而是在镜像频率附近，则会形成混台，产生偏 调失真。设信号频率为fs，振荡频率为flo，中频fif=flo fs。如果在比fs高二个中频处有一个信号频率fm，它象是以flo为镜子，站在fs处看到的镜像，所以称像频。这一信号和被测信号，都能够经过混频，得到中频分量，然后进入中频处理，这样 就产生了混叠，我们叫这种干扰为镜像干扰。如图9所示：图9输入信号及其镜像频率混频输出在超外差式无线电接收机中，符合以下条件，信号就能够进入中频放大器：（nX本机振 荡频率）土（mX信号频率）=kX中频频率综上所述，镜频抑制是衡量接收机抗干扰能力的一项重要指标，也是体现接收机性能的 一项指标。6.2测量方法由6. 1中混频公式可以看出，能够进入中频放大器的频率很多，实际工程中以一次混频 为主，而不过多关注多次谐波的情况，也就是说以本振为中心的镜像干扰。信号源待测器件频谱仪图10测试框图如图10所示，测试步骤如下：1. 将频谱仪的测试频宽设置在待测器件中频输出范围内，调节好RBW、 VBW。2. 设置信号源输出频率为待测器件的工作频点f RF，在频谱仪上观测待测器件的输出信号功率为Pr。3. 设置信号源输出频率为RF的镜像频率f IMG，在频谱仪上观测待测器件的输出信号功率为Pi，则Pi-Pr为该频点的镜频抑制。4. 在待测器件工作频段内，取多个频点重复1-3进行测量。7. 相位噪声7.1基本概念相位噪声主要是衡量因信号的相位变化而带来的噪声，在频域中表现为噪声的频谱，在 时域中又表现为信号边沿位置的抖动，因此在实际应用中，相位噪声和信号的抖动其实本质 是相同的。通常表征为偏离载频Af处1Hz带宽内的噪声功率。7.2测量方法7.2.1基于频谱仪的相位噪声测试方法根据上文的分析，相位噪声是指信号相位的随机性波动的功率谱密度，在频域里相位噪 声通常被表达为dBc/Hz。如果信号的相位噪声值非常小，那么则需要使用具有高动态范围的 频域仪器进行测量，才能得到较好的结果。如果信号的相位噪声在-70dBc（或者结合平均方法 为-80dBc）以上，则可以选择使用示波器进行测试。目前测量相位噪声主要有三种仪器，一是 频谱仪，二是示波器，三是专用的相位噪声分析仪。频谱仪中通常具有相位噪声的测试项， 可以从信号频谱上测量出相位噪声的值并进行适当的修正即可，测试原理即为测试某一指定 偏移频率处的功率电平（1Hz带宽内）与载波总功率电平的比值；使用示波器进行相位噪声的 测量则是在时域里先测试出抖动，然后再将抖动值按照上述提到的相位噪声与抖动的转换关 系转换得到；由于示波器和频谱仪的动态范围有限，因此对于很小的相位噪声很难测试得非 常准确。因此如果需要准确的测试比较小的相位噪声时，则可以选用专门测试相位噪声的相 位噪声测试仪。在频谱分析仪上，信号的所有不稳定度总和（即相位噪声和幅度噪声的总和）表现为载波 两侧的噪声边带，通常当己知幅度噪声远小于相位噪声时（小于10dB）,在频谱仪上读出的边 带噪声即为相位噪声应该指出，不同场合对相位噪声的要求不同，测量方法也不同。典型的 测试方法已有相应的测试设备用频谱仪测相位噪声的方法为简易的一种方法，仅适台于要求 不高的场台，同时也是广泛应用和十分有效的方法，其特点为简单，易操作。用频谱仪直接的测量方法为：相位噪声的定义：偏离载频f处（f为指定频偏），单边带相位噪声功率密度（即单边带内 1Hz带宽内的功率）与载波功率之比：W（f ）二单边带噪声功率密度载波功率（dBc/Hz）?在频谱仪上偏离指定频偏处，得到的是在等效带宽内B的总噪声功率电平Pssb，须将 分辨率带宽转换到1Hz的等效噪声功率带宽，用公式B=101g1.2*RBW / 1Hz表示，加上频谱 仪的修正因子2.5dB。用频谱直接测量相位噪声时，修正后的公式为：W （f ）=Pss Ps ?10Lg1.2RBW/1Hz +2.5Pssb :指定偏移频率处，带宽一定时的一个边带的噪声功率电平；Ps :载波的功率电平测试步骤：1、如图11连接好测试设备，设置中心、频率CENTER使被测信号靠近屏幕的左删或中心。2、设置参考电平REF LEVEL略太于或等于载波信号的幅度。3、设置适当的扫频宽度SPAN使之能显现出带宽的一个或两个噪声边带。4、利用频谱仪的AMARKER功能使频谱仪直接读出指定频偏处的单边带相位噪声功率电平 与载波功率电平之比（记录此时的分辩率带宽值）5、用频谱仪的相位噪声公式，计算出归一化的相位噪声值。若频谱仪自带测相噪功能，则将频谱仪切换至测相噪功能进行直接测量读取。待测器件 频谱仪或相噪仪图11相位噪声测试框图