了解RF仪器规格第一部

RF 仪器有许多规格代表了仪器效能。 随着无线技术不断变化，设计RF 组件与设备可能会成为工程师的例行工作，然而工程师在这方面的经验可能并不完整。本文共分为三部分，有助于掌握基础与进阶的RF 仪器规格， 其中包含一般的发生器与分析仪规格。 第一部说明了频率范围、瞬间带宽、微调速度、相位噪声、电压驻波比；第二部与第三部则是说明1 dB 压缩点、三阶交调截取、动态范围与分辨率带宽。

1. 简介

本文说明下列规格，同时适用于RF 产生与分析作业。
· 频率范围
· 瞬间(实时) 带宽
· 微调速度
· 相位噪声
· 电压驻波比(VSWR)

注意： 所有的RF 设备与RF 仪器一样，均受限于相同的设计规则。

2. 频率范围

频率范围 (Frequency Range) 是RF 仪器的重要特性之一。 比如说，WiFi 测试解决方案所需的运作频率高达2.5 GHz。 一样的道理，如要分析运作频率为900 MHz 的组件，采用此组件的仪器必须在相同的频率范围内运作才行。混合器、输入滤波器、局部震荡器(LO) 等组件都会影响RF 仪器的最大频率范围。不过主要是通过调整LO，才能将仪器设定为在特定的频率内运作。 有些仪器会采用多种系列的LO，但是简化过的仪器方块图却只使用一个LO (如图2 所示)。

LO 搭配了RF 输入，后者可以将RF 信号降转换为中频(Intermediate Frequency，IF) 信号。 相同的频率合成技术也适用于RF 信号发生器。使用电压控制震荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO) 或钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG) 即可完成频率合成作业。传统的作法是RF 仪器会采用YIG 架构以产生LO。YIG 是一种电流控制震荡器(Current Controlled Oscillator)，其特色是密集的相位噪声与大频率范围(高达20 GHz 或以上)。 不过YIG 架构的仪器不但耗电量高，也可能相当昂贵。 此外，相较于其他方法，调整YIG 的频率或许得花更多时间。因此，近期采用VCO 的LO 架构变得更普遍。VCO 的频率范围比YIG 更小，但微调速度却快很多。

3. 瞬间(实时) 带宽

瞬间带宽 (Instantaneous Frequency) 也称为实时带宽 (Real-Time Frequency)，代表了某仪器产生或撷取的最高连续RF 带宽。比如说，向量信号发生器产生信号的中央频率可能是2.45 GHz，但是该仪器的瞬间带宽(也称为信号带宽) 可能只有20 MHz。 信号带宽代表此设备可连续撷取20 MHz 的RF 频谱，不必重新调整LO。

瞬间带宽主要取决于该仪器的RF 模拟前端设备。如要深入了解瞬间带宽，可以先掌握RF 仪器的基本架构。 目前的技术无法数字化Gigahertz 范围内的每个信号。 所以RF 仪器会采用一系列的LO、混合器、滤波器等，才能将RF 信号导入IF 或基频频率范围。 图2 为向量信号分析仪的简要方块图。

图2. 滤波器与模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC) 决定了瞬间带宽

如图2 所示，向量信号分析仪将一部分的RF 频谱降转换至ADC 可辨识的IF。RF 仪器的瞬间带宽主要取决于下列两个要素：
· 该仪器采用的滤波器
· ADC 的取样率与带宽

仪器的瞬间带宽是否重要，主要取决于应用本身。比如说，如要产生窄频的FM 信号，只需要200 KHz 的瞬间带宽即可。但如果要产生并分析宽带信号，例如IEEE Standard 802.11g (WiFi)，那就至少需要20 MHz 的瞬间带宽。 如果瞬间带宽比重点信号本身大很多，就可以大幅提高频谱屏蔽测试等应用的速度。 如果仪器的瞬间带宽不够频谱屏蔽测试作业使用，就必须重新调整仪器，才能撷取区段内的频率信息。

4. 微调速度

微调速度 (Tuning Speed) 是指LO 在特定的准确度范围内变更中央频率所需的时间。 将震荡器调整至不同频率的时候，LO 的趋稳时间即代表了微调速度。就一般系统而言，如要调整频率，LO 通常会稍微超过所需的频率，并且在特定时间内趋稳至所需的频率。 基本上，微调速度是一种频率间隔(Frequency Step) 大小功能。 频率间隔越大，LO 调整至特定范围所需的时间就越长。表1 为YIG 架构LO 的趋稳时间。

表1. YIG 架构LO 的微调速度

对于802.11g 收发器自动化生产测试等应用来说，微调速度可说是非常重要的规格。 由于802.11g 标准明订了设备必须在2.4 GHz ~ 2.48 GHz 之间于14 个通道之一运作，所以RF 仪器必须用来测试多种频率内的设备运作状况。测试信号的扫频速度越快，测试接收器的速度也就越快。

5. 相位噪声

相位噪声 (Phase Noise) 是指RF 仪器的短期频率稳定性。 相位噪声是由小型的瞬间LO 相位抖动而造成的，会在邻近载波的频率内产生信号功率。

有个简单的方式可以说明相位噪声的影响，那就是分析频域内的单一音调。图3 为两个模拟载波：一个是理想载波，一个具有相位噪声。

图3. 理想载波vs. 非理想载波

图3 左侧为单一音调产生，理论上会造成单一功率峰值，集中在非常精确的频率范围内。 右侧却很不一样，其中的相位噪声(主要是时域抖动) 会使信号以渐歇性的方式分布在频域内。

只要量测偏离所需载波的多项信号振幅，即可取得相位噪声。如图3 右侧所示，我们量测了误差值为1 KHz 的–95 dBc 相位噪声，以及误差值为10 KHz 的–146 dBc 相位噪声。

RF 仪器相位噪声的重要性取决于应用本身。 如要侦测接近特定重要信号的低阶遮蔽信号，就会需要密集的相位噪声。 使用具有大量相位噪声的LO 时，相位噪声就会在之后的IF 信号中变大。 图4 为LO 相位噪声转换至后续IF 信号的相位噪声。

图4. LO 相位噪声产生了IF 相位噪声

就此应用而言，这两个信号的相位噪声会彼此干扰，让工程师难以辨识特定的遮蔽信号特性。

此外，也可通过星座图来呈现信号解调变，以便了解相位噪声的影响。 具有大量相位噪声的信号会在星座图中呈现出规律旋转的状况。图5 比较了理想的4 相位偏移调变(4-Phase-Shift Keying，4-PSK) 信号与四个符号(以黑点表示)，并且从左图传输至右图中具有大量相位噪声的信号。

图5. 出现相位噪声时，星座图呈现旋转状况

相位噪声会降低RF 仪器的错误向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM) 效能，进而影响实际的量测作业。 就位错误率(Bit Error Rate，BER) 测试而言，相位噪声会增加错误率。

6. 电压驻波比(VSWR)

电压驻波比 (Voltage Standing Wave Ratio，VSWR) 与传输线(Transmission Line) 理论有密切的关联，而且随着仪器频率范围扩大，也变得越来越重要。 大致上来说，VSWR 是指沿着传输线出现的阻抗失配(Impedance Mismatch) 而造成的信号反射状况。

就理想状况而言，RF 仪器的阻抗(通常是50 Ω) 会符合每个接线的阻抗与待测设备的输入阻抗。然而，不对称信号轨迹与零件/组件差异等减损状况，都会改变仪器阻抗的特性。 因此，信号反射会在RF 传输时出现，并且影响信号的振幅与相位准确度。

信号反射振幅取决于所使用的材质属性与频率范围。传输线的阻抗失配会直接造成VSWR，而且在高频率范围内还会变得更严重。 举例来说，如果VSWR 是1:1，代表系统完全相符。 相反的，如果VSWR 是1.1:1，代表高达10% 的信号振幅在传输线内出现了反射状况。

因为VSWR 也取决于材质属性，可以根据反射系数 Γ 计算而得，方程式如下：

VSWR 对测试信号的影响非常大，因为会需要调整信号的相位或振幅。 此外，所产生的信号振幅可能会增加也可能会减少，视VSWR 反射相位而定。 图6 说明了VSWR 反射影响信号振幅的方式。

图6. VSWR 反射会影响信号振幅

原始信号的反相(Out-of-Phase) 反射会引发些微的抵销效应。 如图6 所示，随之而来的复合信号振幅已稍微减少。就大多数情况下，使用内接或外接衰减器后可降低VSWR。 因此，通过内部衰减来增加仪器参考准位，即可减少VSWR。

VSWR 规格非常重要，因为这会大幅影响仪器的振幅准确度。RF 滤波器特性测试等应用所需的振幅准确度越高越好。RF 滤波器的特性是根据激发信号频率而量测到的振幅减损，所以激发信号与分析仪器的振幅准确度都很重要。

7. 结论

了解RF 仪器规格：第一部提供了RF 相关规格的基本信息。 请记得，其中许多规格也适用于所有的RF 设备，不只是仪器而已。所以设计流程中可能会接触到相同的规格。 本系列第二篇文章说明了用来测试RF 发生器特性的规格，包含频率容错、线性度、功率输出、1 dB 压缩点、三阶交调截取等项目。