矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在射頻信號測量中應(yīng)用分析

1、引言

在射頻產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)過程中，往往需要進行射頻信號的頻譜分析、信號的解調(diào)分析、接收靈敏度測試和硬件電路的 S 參數(shù)測試，工程師以此來優(yōu)化和檢驗產(chǎn)品的設(shè)計，使得產(chǎn)品的性能達到最佳狀態(tài)；為了保證產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計符合規(guī)范也需要做電磁兼容摸底測試，即預(yù)認證測試。因此，頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測量接收機、噪聲系數(shù)分析儀和信號分析儀必不可少，對于研制普通射頻產(chǎn)品的單位來說，非常昂貴的測試儀器投資在短時間內(nèi)很難收回，羅德與施瓦茨公司的集上述測量功能于一身的測量儀器ZVL 性價比高，能夠很好地解決這個問題。

2 、ZVL 特性

ZVL 標準配置是一臺經(jīng)濟型的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有反射 S 參數(shù)測試，如阻抗、史密斯圓圖、反射系數(shù)、駐波比、返波損耗，也能夠測試傳輸 S 參數(shù)，如增益、損耗、群延遲等，傳輸 S 參數(shù)測量的動態(tài)范圍可以達到 123dB，測量精度高、速度快。S 參數(shù)測試包括反射 S 參數(shù)和傳輸 S 參數(shù)。ZVL 體積小，重量輕，攜帶方便，耗電量小，節(jié)約能源。它有兩個型號，ZVL3 和 ZVL6，頻率范圍分別為 9kHz~3GHz 和 9kHz~6GHz?？梢允褂秒姵毓╇?，用于外場測試。

ZVL 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)之上增加選件后，相當于經(jīng)濟型的頻譜分析儀

FSL，其技術(shù)指標如表 1 所示。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在射頻信號測量中應(yīng)用分析

表 1：FSL 頻譜分析技術(shù)指標

3、ZVL的應(yīng)用實例

3.1 射頻模塊測試

射頻產(chǎn)品中常見的模塊包括濾波器、功率放大器、天線、低噪聲放大器、變頻器等。這些模塊端口的特性阻抗一般為 50 歐姆，如果模塊之間的阻抗不匹配，一部分信號被傳輸，另外一部分被反射，模塊之間端口阻抗偏離越多，反射越厲害，傳輸?shù)男?號就越少了，阻抗為 0 和無窮大時信號被全部反射，設(shè)計者總是希望反射越小越好。在硬件設(shè)計過程中測試每個模塊的 S 參數(shù)是進一步調(diào)整模塊的設(shè)計的重要依據(jù)。例如，在手機設(shè)計過程中，天線與匹配電路端口匹配良好與否直接關(guān)系著發(fā)射機和接收機的性能。手機天線連接頭是非常見的 N 接頭或 SMA，測試時需要用一根轉(zhuǎn)接線連接到儀器測試端口，ZVL 校準后具有端口自動延伸，能夠?qū)⑿拭孀詣友由斓教炀€端口，消除轉(zhuǎn)接線帶來的測量誤差，直接反映手機天線的特性。

3.2 電路板診斷

電路板的不同模塊之間、一個系統(tǒng)中不同電路板之間因為時鐘信號線等布線不合理往往會互相發(fā)生干擾，造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定和性能下降。例如，GPS 接收機的靈敏度非常高，電路板的雜散信號、時鐘信號的諧波有可能落在 GPS 的工作頻段，這個干擾信號會通過天線進入 GPS 接收機而影響靈敏度，天線擺在不同位置對靈敏度的影響程度還不一樣。因此，電路板診斷對射頻產(chǎn)品性能優(yōu)化非常重要。

如圖 1，把 ZVL 當作一臺頻譜儀，射頻輸入端口配上羅德與施瓦茨的探頭HZ-15 和 HZ-16 可以很清楚地定位強的雜散信號來自于電路板哪些區(qū)域甚至哪個芯片管腳。

3.3 噪聲系數(shù)測試

無線電接收機的靈敏度是一個非常重要的指標，它反映接收機接收小信號的能力。接收機的靈敏度等于-174dBm＋NF＋10lgBW + S / N ，其中 BW 為信號帶寬，S/N為信號解調(diào)所需的信噪比，噪聲系數(shù)［4］NF 等于系統(tǒng)輸出信噪比和輸入信噪比之比，它和噪聲因子 F 之間的關(guān)系為 NF = 10lg F ，單位為 dB，因為噪聲因子始終大于 1，所以噪聲系數(shù) NF 始終大于 0dB。通常來說，接收機的噪聲系數(shù)主要決定于第一級低噪聲放大器。

不管是采用噪聲系數(shù)分析儀還是頻譜分析儀做噪聲系數(shù)測試其原理都是基于 Y 系數(shù)法。儀器提供交替變化的 28V 和 0V 電源給噪聲源，在 28V 電源工作時，噪聲源產(chǎn)生高的噪聲功率，0V 電源工作時，噪聲源產(chǎn)生低噪聲功率，ZVL 當作頻譜儀，測量這兩個功率值并計算他們的比值得到噪聲因子。測試分為兩個過程，校準和測量。校準時，如圖 2，噪聲源直接連接到 ZVL 射頻輸入端口，得到測量儀器 ZVL 內(nèi)部的噪聲因子 F2；測量時，如圖 3，噪聲源輸出的噪聲加到被測件，被測件的輸出到 ZVL 的射頻輸入端口，得到被測件和測量儀器這個整體的噪聲因子 F12，根據(jù)兩級系統(tǒng)級連噪聲系數(shù)公式可以得到被測件的噪聲因子 F1和增益 G，進而可以得到被測件的噪聲系數(shù)。

3.4 電磁兼容預(yù)測試

每個射頻產(chǎn)品需要通過專業(yè)檢測機構(gòu)的電磁兼容輻射測試，要求在其工作頻率之外的雜散信號必須小于一定限制值。這種測試費用比較高，如果測試不通過，需要修改產(chǎn)品后重新測試，這樣不僅消耗了大量的人力、物力和財力，也延長了產(chǎn)品的研發(fā)周期。因此，專業(yè)實驗室檢測之前用測量接收機在實驗室做電磁兼容預(yù)測試比較普遍。

測量接收機要求具有特定的峰值、準峰值和平均值檢波器，也要求提供電磁兼容測試所需 6dB 帶寬的 200Hz、9kHz、120kHz 和 1MHz 測量帶寬選擇，并能夠?qū)⑼獠刻炀€的傳導(dǎo)因子輸入到測量儀器之中，ZVL 具有這種特定的模式。如圖 4，用天線接收被測產(chǎn)品在空中的輻射信號后傳輸?shù)?ZVL，ZVL 當作一臺測量接收機來測量被測產(chǎn)品的輻射特性。

3.5 數(shù)字調(diào)制信號解調(diào)分析

數(shù)字調(diào)制信號的質(zhì)量一般用誤差矢量幅度 EVM 來衡量，它是誤差矢量的幅度和理想矢量的幅度的比值，用%和 dB 來表示，它的大小直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的通信容量和傳輸距離，它的測量必不可少。頻譜分析儀只能分析其頻譜特性，必須用信號分析儀對它進行解調(diào)后才能得到調(diào)制質(zhì)量特性。

如 OFDM 調(diào)制信號，它采用多載波技術(shù)，每個載波互相正交，而且每個載波的調(diào)制方式也不盡相同，例如 QPSK、16QAM、64QAM 調(diào)制，目前這種復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號都采用 IQ 調(diào)制，I 和 Q 通道增益是否一樣、是否有直流成分、是否完全正交相差 90 度都會影響誤差矢量幅度 EVM。如圖 5，顯示的是 ZVL 的信號分析功能解調(diào)分析 IEEE802.11g 信號的部分結(jié)果，顯示出 EVM、IQ 調(diào)制結(jié)果、頻率誤差、調(diào)制時鐘誤差、功率和峰均比等。

3.6 模擬調(diào)制信號解調(diào)分析

對于模擬調(diào)制信號如調(diào)幅 AM、調(diào)頻 FM 和調(diào)相 PhM，經(jīng)常需要分析它們的調(diào)制特性。如無線調(diào)頻 FM 對講機，其發(fā)射中心頻率和調(diào)制頻偏有嚴格的要求。中心頻率不準會導(dǎo)致接收機的靈敏度下降，傳輸距離縮短；調(diào)制頻偏太小，調(diào)制指數(shù)就變小，接收機的信噪比下降。調(diào)制頻偏太大，接收機的信噪比有保證，但是鄰道信號會受到干擾，這樣會出現(xiàn)串音現(xiàn)象；發(fā)射功率太大，電池消耗量大，待機時間和工作時間縮短，對其它無線電設(shè)備造成一定干擾。發(fā)射功率偏小，傳輸距離受到限制。因此，調(diào)頻 FM 信號的調(diào)制頻率、調(diào)制頻偏、載波頻率和功率等指標的測量非常重要。

如圖 6，顯示的是 ZVL 的信號分析功能測量調(diào)頻 FM 信號的解調(diào)結(jié)果，上部分顯示的是調(diào)制信號對時間的關(guān)系。