我們通常使用「訊號分析儀」一詞來代表採用頻譜分析儀架構,並具備全數位中頻(IF)區段,可用複雜向量技術處理訊號的儀器,以執行數位調變分析與時間擷取等多域操作。

提升各個測試配置的量測準確度

為了將量測準確度最佳化,了解訊號分析儀的固有準確度並判別待測物(DUT)連接的錯誤來源至關重要。有效的量測實作和實用分析儀功能的組合,可減少錯誤發生率並縮短測試時間。

數位中頻技術則可實現出色的基本準確度,特別是透過內部校驗和校準加以強化時。舉例而言,自身產生的修正和可高度重複的數位濾波器,讓你能在量測期間自由地變更設定, 這些變更對可重複性的影響很低。典型的範例包括解析頻寬、範圍、參考位準,中心頻率和頻距。

當DUT與經過校驗的分析儀連接後,訊號傳遞網路(參考圖1)可能導致想觀測的訊號惡化或改變。對這些影響進行修正或補償,可確保最佳準確度。你可利用分析儀的內建振幅修正功能,再搭配訊號源和功率錶,便利又有效地執行操作。

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圖1:DUT/分析儀的連線品質對量測準確度與可重複性有顯著的影響,而且影響會隨頻率而加大。

圖2說明造成DUT訊號衰減的訊號傳遞網路之量測頻率響應。為了去除負面效應,首先應在指定頻率範圍內,量測訊號傳遞網路的頻率響應。在分析儀中,振幅修正功能採用一系列相對應的頻率/振幅並將它們進行線性連接,以產生對應於量測顯示點的修正係數。之後分析儀會依據修正來調整顯示的振幅。圖3顯示,在量測結果中,訊號傳遞網路的不良衰減與增益皆已消除,可提供訊號分析儀指定的完全準確度。

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圖2:軌跡圖顯示 DUT/分析儀連接的量測頻率響應。

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圖3:使用分析儀的振幅修正功能,讓頻率響應變得平坦,以提高振幅準確度。

此程序會將量測參考平面從分析儀前面板移至DUT。許多訊號分析儀皆可儲存多種設備配置或分析儀設定的修正。

你也可以儲存不同纜線與轉接器組合的修正值。請特別留意 DUT/分析儀的連線,包括纜線與連接器的長度、類型與品質。連接器維護,包括適當的扭力,可確保最低的損耗、良好的阻抗匹配以及可重複性──特別是微波和毫米波頻率。

針對較富挑戰性的量測,你可將分析儀的有效輸入移至較接近DUT處以提高性能。舉例而言,在量測非常小的訊號時,你可將外部前置放大器連接至DUT,以增加訊號位準並解決訊號衰減或雜訊增加等問題。現今的智慧型前置放大器可自動配置分析儀並上傳增益與頻率響應,以獲得精確的校正。

同樣的,智慧型混頻器可在非常高的頻率下強化量測。通常DUT輸出端為波導的直接連接處,你可以將其放置在此。混頻器會自動進行辨識並下載其轉換係數,以獲得準確的結果顯示。

設定解析頻寬時的取捨

解析頻寬設定為基本分析參數。當量測目標為分離重要頻譜成分並設定雜訊底線時,解析頻寬所扮演的角色便更加重要,讓你能夠更輕鬆地從分析儀或DUT所造成的雜訊中辨識出所需的訊號。

執行嚴格的量測時,頻譜分析儀必須夠準確,並且需要有適當的量測速度與高動態範圍。在大多數情況下,僅著重其一會對另一項造成負面影響。此時,應該採用窄或寬解析頻寬,便成為重要的取捨。

量測低位準訊號時,較窄的設定較為有利:可降低頻譜分析儀的顯示平均雜訊底線(DANL),增加動態範圍並提高測量靈敏度。在圖4中可看到,將解析頻寬從100kHz變更至10kHz,便能夠對明顯的-103dBm訊號進行更適當的量測:解析頻寬減少10倍可使DANL提升10dB。

當然,較窄的設定並非永遠是最理想的選擇。對調變訊號來說,必須將解析頻寬設得夠寬,使其能夠包含旁波帶。否則,除非進行整合式頻段功率量測(例如結合多個量測點以涵蓋整個訊號頻寬),不然一定會產生不準確的功率量測。對排列緊密的寬頻數位調變訊號來說,整合窄解析頻寬量測之多個量測點功率的量測方式,是最實用的量測。

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圖4:將解析頻寬從100kHz降到10kHz可提升DANL,並可更輕鬆地查看所需觀測的訊號。

較窄的設置有一個很大的缺點︰掃描速度非常緩慢。掃描率通常與解析頻寬的平方成正比,所以相較於較窄的設定,較寬的設定可使掃描整個頻距的速度加快許多。我們可透過圖5和圖6,將使用10 kHz與3kHz解析頻寬,量測200 MHz頻距的掃描時間加以比較。

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圖5:以10kHz解析頻寬進行量測所需的掃描時間為2.41 s。

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圖6:將解析頻寬降到3 kHz時,掃描時間增為26.8s,比上述時間慢了約10倍。

了解選擇何種解析頻寬的基本優缺點,可幫助你調整相關設定,並著重於最重要的量測參數上。然而,我們無法完全避免缺點與負面影響,但現今的訊號分析儀有助於減輕甚或消除此問題。

現今的分析儀可利用快速傅立葉轉換(FFT)及數位解析頻寬過濾等數位訊號處理方法,並搭配掃描速度效應修正,來確保準確的量測結果(即便是使用窄解析頻寬)。例如「快速掃描」功能便可將掃描率提高至窄設定的50倍。訊號分析儀可自動部署這些增強特性,使其成為中心頻率/頻距/RBW自動耦合的一部分,讓你能透過手動方式將速度和準確度等特定優先順序最佳化,藉以對相關設定進一步微調。

提升量測低位準訊號的靈敏度

分析儀自行產生的雜訊,會使其量測低位準訊號的能力受限,而且各種設定都會對雜訊程度造成影響。舉例而言,圖7說明了分析儀的雜訊底線如何掩蓋了50MHz訊號。

為了量測此低位準訊號,你可結合以下方法,來提升分析儀的靈敏度:輸入衰減最小化、縮小解析頻寬(RBW)濾波器,並使用前置放大器。與早期技術相似,這些技術可降低DANL,將微小訊號與雜訊分離,並可進行準確的量測。

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圖7:在圖中顯示的配置,分析儀雜訊掩蓋了一個微小訊號。

減少輸入衰減可提高進入分析儀輸入混頻器之訊號的位準。分析儀本身的雜訊是在衰減器之後產生的,因此衰減設定會影響量測的訊號雜訊比(SNR)。如果將分析儀中的增益與輸入衰減器耦合,以便補償變更,則真正的訊號在顯示器上會靜止不動。但DANL會隨IF增益而改變,以反應因任何衰減器設定變更而導致的SNR變化。

因此如欲改善DANL,將輸入衰減降至最低極為重要。透過混頻器和任何內部放大後,重新被放大的訊號會進入包含解析頻寬濾波器的中頻區段。藉由縮小濾波器寬度,可將分析儀波封檢波器的雜訊能量減少,進而降低量測的DANL。

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圖8:在訊號量測中,在縮減解析頻寬(黃色)、降低輸入衰減(藍色)並切換至功率平均(紫色)後,DANL 逐漸降低。

圖8顯示DANL的連續縮減(請注意參考位準的縮減)。軌跡最上方顯示將解析頻寬降到最低後,高於雜訊底線的 CW 訊號。中間的軌跡顯示大幅降低衰減後的改善效果。更下方的軌跡採用對數功率平均(使用對數單位的dB讀數)可將雜訊底線再減少2.5dB,但不會影響到CW訊號的量測。如將其與峰值檢測(顯示檢波器設定)結合,便可有效量測雜訊底線附近的突波訊號(常見的訊號分析任務)。

若要達到最高靈敏度,則須使用具低雜訊與高增益的前置放大器。如果放大器增益夠高(例如顯示的雜訊增加至少10dB),則放大器的雜訊指數會影響前置放大器與分析儀的聯合雜訊底線。從特定量測中去除分析儀的雜訊功率,是降低頻譜量測雜訊的有效方法;你可藉由量測雜訊底線來去除雜訊。

此外,某些Keysight X系列訊號分析儀也提供更加實用的方法,我們稱之為雜訊底線延伸(NFE)。分析儀可利用NFE技術精確地建模並分析各個量測點的雜訊功率,並且自動將其從量測結果中減去。如此便可將受影響的雜訊底線降低10 dB或更多,而不需變更掃描時間。除了前述步驟之外,你也可採用這項技術。

如前所述,在量測雜訊附近的突波訊號時,結合使用對數功率平均與峰值檢測可提供2.5dB的SNR效益。另一方面,如果你的優先考量是將雜訊底線中的量測變異降到最低(例如較平滑的軌跡),那麼使用「平均」顯示檢波器來進行功率平均可能是最佳選擇。將平均檢波器和較慢的掃描時間相結合,是最有效降低雜訊所造成之變異的方法(例如讓雜訊底線變得平滑)。

在時變訊號一致地重複的特殊狀況下,也可以考慮使用被稱為同步或時間平均的技術。向量訊號分析儀可提供這項功能,以便在計算頻譜之前,對輸入訊號的時域樣本進行平均運算。觸發器可用於將時域樣本與重複訊號同步。在時域、頻域和調變域中進行量測時,其淨效應(net effect)是有效雜訊底線的顯著降低。

量測失真時將動態範圍最佳化

頻譜分析的一個基本要素,就是儀器將訊號的大基本音調(large fundamental tone)與其較小的失真產物區分開來的能力。這是分析儀的動態範圍,亦即訊號和失真、訊號和雜訊,或訊號與相位雜訊之間的最大差。

量測訊號和失真的組合時,輸入混頻器的位準決定了動態範圍的大小。有三個規格可確定用於將動態範圍最佳化的混頻器位準:二次諧波失真(SHD)、三階交互調變(TOI)失真,以及顯示平均雜訊位準(DANL)。將這三個參數結合到一張圖表中,可產生混頻器位準與內部產生失真和雜訊的對比圖。

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圖9:圖中顯示的二階和三階動態範圍,由DANL與對應失真曲線相交處的最小失真區域而定。

圖9標示出當混頻器位準在-40dBm時的-75dBc SHD點,混頻器位準在-30dBm時的-85dBc TOI 點,以及對應10 kHz解析頻寬的-110 dBm雜訊底線。混頻器基本位準每增加1 dB,SHD就會增加2 dB,因此SHD線以斜率1繪製。然而,失真是由基本與失真產物間的差異來決定,其差異只有1 dB。

同樣的,TOI是以斜率2所繪製:混頻器位準每改變1 dB,三階產物就會改變3 dB,或是以相對的方式來看則為2 dB。你可藉由設定衰減器,達到最大二階與三階動態範圍,讓混頻器的訊號位準可對應到二階和三階失真與雜訊底線相等的點(圖中的註解說明了混頻器位準)。請注意,最小點位於因對數(dB)刻度上失真與雜訊增加所導致的小曲線上。

要增加動態範圍,就必須採用窄解析頻寬。如圖10所示,當RBW設定從10 kHz降至1 kHz,動態範圍會增加。請注意,二階增加為5 dB,而三階失真則超過6 dB。

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圖10:減少RBW可降低分析儀的DANL (從左下角開始的線),並改善二階與三階動態範圍的操作點。

最後一點,分析儀的相位雜訊也會影響互調失真(IMD)的動態範圍。原因是各種頻譜成分(例如測試音調和失真產物)之間的頻率間隔,與互調測試音調之間的間隔相同。舉例來說,間隔10 kHz,並以1 kHz解析頻寬進行量測的測試音調,會造成圖11所示的雜訊曲線。如果分析儀在10 kHz偏移時的相位雜訊僅為-80 dBc,那麼此量測的最大動態範圍為80 dB,而非 DANL 與三階失真交叉點所建議的88 dB。

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圖 11:對於像互調測試音調這樣間距很小的訊號,相位雜訊可能會將量測動態範圍限制為低於圖中所示的值。

準確隔離並量測突波與暫態

使用掃描頻譜分析儀時,我們很難準確地量測叢發或脈衝訊號,特別是承載調變的訊號。分析儀會同時顯示脈衝傳送的資訊,以及脈衝形狀的頻率內容(例如脈衝波封)。急遽的上升與下降時間會在頻譜中產生不需要的頻率成分。這些負面干擾可能會掩蓋所需的訊號,並降低量測準確度。

共有兩個量測技術可解決這些問題︰時閘頻譜分析儀及以向量訊號分析儀(VSA)觸發的快速傅立葉轉換分析。掃描分析中最靈活(且常用)的技術為閘控掃頻或閘控 LO。這個方法將分析儀設為僅在所需的輸入訊號部分,才進行掃瞄並擷取資料。外部觸發可用於進行同步量測;不過某些分析儀可自行從脈衝中產生觸發。

請務必注意,執行這類時間選擇頻譜分析需要一個持續重複的訊號。藉由累積成功的量測,分析儀可建立完整的頻譜結果,以提供穩定且準確的結果。

一般來說,預期的效果是,分析儀自行在脈衝或叢發期間量測訊號的頻譜,並拒絕脈衝開啟或關閉的頻譜效應。如此便可使用具通道功率或鄰近通道功率(ACP)與頻譜放射遮罩(SEM)等自動功率量測功能的閘控。 其他技術包含訊號的快速傅立葉轉換處理,又稱為閘控FFT。此方法並不需要重複訊號;但如果具有重複訊號,信噪比可能因時間平均而改善(如前所述)。閘控FFT分析需搭配使用訊號分析儀和VSA軟體,以獲得最強大且靈活的成效。軟體負責執行觸發功能(例如精確調整觸發時間),以及閘控或FFT時間紀錄長度,以匹配待測訊號的叢發。

VSA軟體也允許使用者任意調整FFT點數,以及選擇所套用的視窗形狀(例如加權)。使用視窗形狀時,需在量測結果的振幅準確度、頻率解析度與動態範圍間加以取捨。如果能夠兼顧這些特性,將有助於從簡短的訊號叢發中萃取大量資訊。

對自我建立視窗(self-windowing)的訊號(即在特定時間間隔會定期執行的訊號)進行時間選擇訊號分析時,有一種處理方法特別有效。無線通訊系統常用的正交分頻多工技術(OFDM)訊號即為其中一個範例。執行的方式為將時間記錄長度或閘極長度設為與單一OFDM 符號相符,或設成符號的整數倍,而後選取統一視窗。此視窗在時域中呈現平緩狀態,並倚賴待測訊號週期與視窗或 FFT 時間紀錄間的互相配對。

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圖12:兩個軌跡都顯示了在5 GHz頻段時,OFDM WLAN波形的無連線擷取。在各個量測中,閘控皆與部分的自我視窗訓練序列相符。在下方軌跡中,統一視窗提供足夠的解析度,以呈現個別OFDM副載波。

圖12說明量測兩個OFDM訓練序列符號時,專為振幅準確度而設計的平頂視窗(例如在頻域中呈現平坦)與統一視窗的比較結果。在此情況下,統一視窗提供高準確度的最佳頻率解析度。

以量測應用軟體提升速度、準確度與可靠度

無線及航太與國防應用的訊號日益複雜,使得部分頻譜手動設定與調變品質量測的困難度提高,有時甚至難以執行。幸運的是,現今訊號分析儀的處理能力不但讓複雜的量測變得簡單,也讓突波、諧波與相位雜訊等傳統量測變得更容易執行。

如欲結合處理功率與智慧量測,最便利的方式就是透過訊號分析儀和搭載的量測應用軟體來進行。應用軟體可分為兩大類:通用型和特定標準型。

通用型應用軟體主要著重於傳統分析任務,並加以延伸,使得安裝於儀器的自動化軟體可因應各種常見需求。這些應用軟體非常適合用於射頻、微波收發器與其相關元件的開發和製造。例如Keysight X系列訊號分析儀的PowerSuite量測套件包含通道功率、ACP、佔用頻寬(OBW)、互補累進分佈函數(CCDF)、諧波失真、雜散放射、三階交互調變以及頻譜放射遮罩。

其他通用型應用軟體可處理相位雜訊、雜訊指數、電磁相容性(EMC)及複雜的脈衝分析(圖13與14)。在所有情況下,量測應用軟體皆可大幅簡化量測設定(減少繁瑣程序及誤差),並提供可將大量量測結果解讀簡化的客製化顯示,或提供通過/不通過的指示(圖13、14)。

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圖13:執行傳導發射與輻射雜訊的先期認證量測時,Keysight N6141C EMC應用軟體可依據 CISPR 16-1-1或MILSTD標準來配置量測。

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圖14:Keysight N9067C脈衝量測應用軟體可收集來自大量脈衝的資訊,並計算週期、寬度、脈衝重複間隔(PRI)上升與下降時間、過擊、平均功率與峰值功率等參數。

訊號分析儀總共提供數十種特定標準型應用軟體,以符合既有和新興的LTE/LTE-Advanced、GSM、W-CDMA、WLAN、Bluetooth及數位視訊等無線標準。這些無線標準將基本的射頻工具(訊號分析儀)轉換成標準的發射器測試儀,以提供射頻相符性測試及評估與除錯顯示畫面。在某些情況下,應用軟體是對複雜、具高度特定性的無線標準進行分析設定的唯一可行方式。

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圖 15:此LTE下行鏈路解調變結果包含不同訊號層的星座圖(圖上方)以及檢測到的資源分配(圖右下方)。

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圖16:因訊號分析儀已將輸入衰減與參考位準納入考量,故視在第二諧波振幅的差異,是因分析儀的失真所導致。

圖15和圖16是Keysight N9080/9082C量測應用軟體的典型 LTE 量測範例,顯示結果包含圖形化與表格式量測資料,並可進行通過/不通過測試配置。手動配置先進數位調變機制的通道功率量測是十分複雜的任務,解讀起來也很繁雜。例如LTE-Advanced 標準包含支援非連續載波聚合配置訊號的鄰近通道洩漏比(累積相鄰通道洩漏比)累積量測。

辨識內部失真產物

當高位準訊號送到頻譜分析儀輸出端時,可能會導致失真產物,使得輸入訊號上的真實失真受到遮蔽;利用雙軌跡和分析儀的射頻衰減器,你可判斷分析儀內部產生的失真是否對量測造成任何影響。這是一種實用的量測方式,可對特定設定(訊號、分析儀與連線)的主要衰減進行最佳化設定。這種個別的最佳化方式,通常比透過保證儀器規格計算出的結果來得好。

先將分析儀的輸入衰減器設定好,讓輸入訊號位準減去衰減器設定後,約等於0 dBm。若要辨識這些產物,請調至輸入訊號的第二諧波,並將輸入衰減器設為0 dBm。接下來儲存軌跡B的螢幕資料,將軌跡A選為主動軌跡,然後啟用標記Δ。現在頻譜分析儀顯示軌跡B的儲存資料與軌跡 A 的量測資料,標記Δ則顯示兩個軌跡間的振幅與頻率差異。最後將射頻衰減增加約15 dB,並將軌跡A的響應與軌跡B做比較。

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圖17:第二諧波量測出現在相同的振幅,代表分析儀本身的失真未在結果中造成誤差。

如果軌跡 A 和軌跡 B 的響應不同(如圖 16 所示),分析儀的混頻器便會因輸入訊號的高位準,而產生內部失真產物。在這種情況下,便需要更多的衰減,進而導致圖17的結果。某些分析儀讓你能以最小1 dB 步進,進行衰減值試驗。

使用即時分析尋找並量測飄忽不定的訊號

不管你是從事無線或是航太與國防相關工作,都會有許多脈衝或叢發訊號,或是出現必須加以分析的複雜暫態特性。在某些情況下,不想要的訊號或特性會被掩蓋,因此不容易進行偵測或隔離。了解這些訊號或特性,對於除錯或系統最佳化非常重要。

許多訊號分析儀所採用的數位化架構與高速DSP,可透過兩種方式滿足這些需求:即時頻譜分析儀與向量訊號分析儀的訊號記錄/播放功能。之前這兩種功能是獨立、專用的產品。現在這兩種功能都已成為例如Keysight X系列等主流訊號分析儀的選配功能。

即時頻譜分析儀(RTSA)在中頻區段採用專門處理方式,從代表中頻輸入的樣本資料連續串流計算頻譜結果。這類分析儀以足夠處理所有訊號樣本的速度執行頻譜計算,以產生無間隙的頻譜結果。你絕不會漏失任何訊號或特性。

因為 RTSA 可以非常高的速率產生頻譜,每秒可達數千,人類的肉眼無法看到或解讀各別的頻譜。因此改以顯示畫面來呈現頻譜,通常以顏色來代表結果中發生的特定振幅/頻率組合。這些頻譜密度顯示的顏色與陰影可加以調整,以表示或強調非常頻繁、比較頻繁或非常不頻繁的事件(圖18)。

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圖18:2.4 GHz ISM頻段的無線頻譜密度量測包含短暫的Bluetooth hop與較長的WLAN傳輸。較常發生的振幅與頻率值以紅色與黃色表示,頻率較低的值則以藍色表示(例如 Bluetooth hop)。

即時頻譜密度顯示在追蹤間歇性訊號或特性時非常實用,之後的量測也可用來產生隔離特定訊號或特性的觸發。可手動或自動產生頻率遮罩,違反遮罩的訊號則會造成觸發事件(圖 19)。

在尋找飄忽訊號或特性時,最強大的分析技術是將頻率遮罩觸發與VSA的訊號擷取/播放功能結合。頻率遮罩觸發所產生的RTSA量測僅有功率頻譜,而VSA訊號擷取或時間擷取則會紀錄訊號的完整時間紀錄,此紀錄為一種向量。透過對此完整記錄進行後續處理,VSA可執行多種類型的分析,包含頻譜、時域與解調變(圖20)。

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圖19:在RTSA選項中,頻率遮罩觸發以頻譜上方的深綠色陰影表示,而位準/頻率組合則以圓圈代表。發生在遮罩外的訊號跳頻會產生觸發。

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圖20:此向量訊號分析儀顯示器顯示有一個頻率遮罩觸發,啟動了單一頻率跳頻的擷取與後續解調變。

為了呈現更多訊號特性的相關資訊,可藉由調整由頻率遮罩觸發所啟動的擷取動作,使其在觸發事件前或後開始執行。在尋找發生在特定訊號特性之前的原因,或是當原因與特性發生在不同時間,這樣的靈活時序對於故障排除很有幫助。

結語

現代工程的宗旨是串連想法並解決問題,這種經驗推動了訊號分析儀持續進化,讓使用者能輕鬆關聯因果關係,進而快速找到答案。

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年11月平面雜誌