通信网络测量

第二章通信信号频谱及功率测量朱畅华综合业务网理论及关键技术国家重点实验室西安电子科技大学[e-mail]2011.22.1通信信号频谱测量频谱特性是通信系统，特别是无线通信系统所关注的测量内容。通过测试可以得到带宽、谐波等特性参数。频谱特性测量的方法随着电子技术的进步而发展，从模拟滤波的方法发展到采用数字技术，频谱测量的精度得以大幅提高。频谱测量可以分为实时型和扫频型两大类实时型测量可以同时显示所有频率成分的测量结果扫频型只能在滤波器或本振扫描并捕捉到感兴趣信号时，顺序显示测量结果。频谱分析仪R/SFSH－3手持式3GHz频谱仪安立MS－2721A手持式7.1GHz频谱仪国产AV－4032系列12.4，18，26.5GHz频谱仪日本爱德万R－31628GHz频谱仪安捷伦E4448APSA系列频谱分析仪，3Hz-50GHzE4407B-COMESA-E通讯测试分析仪，9kHz至26.5GHz1多通道滤波器型频谱测量~宽带低噪声放大器多路分配器滤波器1检波器1指示器1滤波器2检波器2指示器2滤波器n检波器n指示器n优点：瞬时检测，能显示瞬变和不确定信号，测量速度快，动态范围宽等。缺点：工作频率范围低，代价昂贵,尤其对宽带信号2快速傅里叶变换（FFT）型频谱测量可对非周期信号和瞬态信号进行分析。由于采用了数字信号处理技术，FFT型频谱测量方法能分辨两条谱线间隔小于100Hz的信号。FFT型频谱测量方法频率范围和精度主要取决于模数转换器（ADC）的采样率和数据位数。~衰减器低通或带通滤波器A/DFFT显示器经典功率谱估计：周期图法periodogram经典功率谱估计：自相关法3显示扫频型频谱测量~低通滤波器多路分配器滤波器1检波器1滤波器2检波器2显示器滤波器n检波器n扫描开关用扫描开关扫描，使显示器上逐个显示各滤波器的输出。不能显示随机信号的实时频谱分布情况，主要用于周期和准周期信号测量。4调谐滤波器型频谱测量~调谐滤波器检波器扫描信号发生器显示器通过在整个测量范围内移动一个带通滤波器的中心频率及带宽来工作。优点：结构简单，价格低廉。缺点：灵敏度低，分辨力差。主要应用在被测信号较强，频谱分量比较稀疏和在较宽频率范围内搜索信号的情况。5扫频超外差型频谱测量~低通滤波器检波器扫描电路视放本振衰减器中放显示器混频把固定中频的窄带中频放大器作为选择频率滤波器，把本振作为扫频器件，输出本振信号频率从低到高连续扫动，与输入的被测信号中各频谱分量逐个混频，使之变为相应的中频频谱分量，经检波和视频放大后送显示器。扫频超外差型频谱测量（续）扫频超外差型频谱测量最难解决的问题是真假信号的识别。由于混频器是非线性器件，一般要求本振幅度足够大。当被测信号较小时，混频器相对于对输入信号而言，是线性工作状态，这时会出现两种假响应：1多次响应由于本振信号在混频器上会产生多个谐波，因此单频信号可能会与多个本振频率的不同谐波分量混频得到同一中频分量，因而在显示器上出现多个响应，从而导致错误的测量结果。1232SLSLIfffff扫频超外差型频谱测量（续）2谐波响应由于本振信号的多个倍频分量的存在，一个本振对具有多个频率成分的信号可能会同时响应，在显示器上叠加为同一根响应线，也分辨不清信号频率的幅度，从而带来测量误差。解决上述问题有两种方法：（1）安装信号识别装置，识别输出信号与本振进行混频的模式，从而在对应的频率尺度上直接读出输入信号的频率。（2）在混频器之前安装跟踪预选择性带通滤波器，其中心频率和扫频频率同步调谐。12323SLSLSLIfffffff6通信系统的带宽在模拟通信系统中，信号的带宽即频带的宽度，单位是赫兹（Hz）。在数字通信系统中，带宽常指的是信号的传输速率，单位是比特/秒。传输介质的带宽，指的是在该传输介质（或信道）中可传输信号的最高频率与最低频率之差。一般来说，带宽越大，信道容量越大，传输速率越高。测量得到信号频谱之后，就可直接算出信号带宽，如3dB带宽（半功率带宽）等等。2.2功率测量单位时间内所做的功称为功率。功率的国际标准单位是瓦特（W），表示在1秒内完成1焦耳功所需的功率。功率测量通常用功率计进行。4304A通过式功率计美国bird公司频率范围：25~1000MHZ功率范围：5W-500WYM－2463吸收式功率计国产频率范围：12.4GHZ功率范围：0.1W-10WN1911A/12A功率计美国安捷伦N1921A传感器：50M～18GHz，N1922A传感器：50M～40GHz峰值功率、平均功率、峰值和平均值比；功率范围：-35～+20dBm功率计的分类（1）根据功率计接入传输系统的方式可分为吸收(终端)式和通过式功率计。（2）功率测量靠变换器把电磁能量变换成热、电、力、光等易于测量的能量。功率计依所用的变换器可分为热效应功率计有质功率计电子式功率计铁氧体功率计量子干涉效应功率计功率计的分类（续）（3）根据测量的功率量程可分为:小功率计（10mW）中功率计(10mW&&10w)大功率计(10W)（4）根据被测信号形式分为连续波功率计脉冲功率计（5）根据传输线类型分为同轴功率计波导功率计1功率的基本概念瞬时功率p(t)定义为能量对时间的导数,是由同一时刻的电压与电流的乘积来确定的。即平均功率指瞬时功率在一周期内的平均值，又称为有功功率，简称为功率。若定义电压u和电流i分别为：则平均功率：平均功率的最大值，称为视在功率)()(titudtdwtp,)(cos2tUutIicos2cosPUI峰值功率峰值功率是指最大瞬时功率。在所有功率测量中，平均功率是最常进行的测量。平均功率和峰值功率的关系如图所示对于射频脉冲信号，如果知道信号的占空比，就可从测量得到的平均功率求得峰值功率峰值功率平均功率avgpeakPPavgPeakPPPK2平均功率的测量方法功率的测量方法根据原理可以分为：热敏电阻法、热电偶法、量热计法和二极管法。(1)热敏电阻法半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。根据半导体理论，在一定的温度范围内，热敏电阻在温度T时的电阻为一般T0取为25oC,β为材料的特性系数，一般温度范围在2000—4500K内，取β≈3400K。优点：1）电阻温度系数大，灵敏度高，因此被广泛的用于微瓦和毫瓦级（小功率计）的功率测量中。2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。热敏电阻功率座是由热敏电阻元件和座体组成，有波导座和同轴座两种形式。同轴热敏电阻功率座在同轴热敏电阻功率座中使用的热敏电阻元件是双元件结构：两个热敏电阻串联连接，中心电极与同轴线的内导体相接，两个外电极经过隔直电容器与同轴线的外导体连接，每个热敏电阻的工作阻值为100欧姆。这样它们的阻抗对直流偏置功率是串联的，而对微波功率是并联的，呈现50欧姆的阻抗，正好与同轴线的特性阻抗匹配。自动平衡热敏电阻功率计恒流发生器0R0R0R电桥平衡直流放大器1I2I12IISR热敏电阻014R用热敏电阻测量功率时，最常用的是惠斯通电桥电路作为测量和指示装置。(2)热电偶法热电偶是由两种不同的金属材料组成的。如果把热电偶的热结点置于微波电磁场中，使之直接吸收微波功率，热结点的温度便上升，并由热电偶检测出温度差，该温差热电势便可作为微波功率的量度。用这种原理设计成的功率计称为热电偶式功率计。因功率测量中热电偶是做成薄膜形式的，故又叫薄膜热电偶式功率计。热电偶式功率计热电偶式功率计由两部分组成：薄膜热电偶座：能量转换，将微波能量转化为电动势；功率指示器：高灵敏度的直流放大器，检测热电动势。早期的薄膜热电偶式功率计的热电偶是用铋-锑金属薄膜制成的铋电极锑b3b2b1a2a1介质基片中心电极YM2422频率范围：0.01-18GHZ功率范围：-30-20dbm(中，小)铋-锑薄膜热电偶元件结构示意图功率指示器功率指示器是一个高灵敏度的直流放大器：功率座斩波器前置放大器有源滤波器交流放大器积分放大器解调器直流放大器标准系数开关方波发生器量程选择薄膜热电偶式功率计具有响应速度快，灵敏度高、动态范围宽、噪声低和零点漂移小等突出优点，它的缺点是过载能力差。半导体薄膜热电偶式功率计1973年出现了半导体薄膜热电偶式功率计，它的工作原理同传统的铋-锑薄膜热电偶式功率计相同，但在热偶材料和功率座的结构上做了大的改进。它是在一个0.76mm2大小的硅片上集成了两个热电偶。直流输出热电偶＋－－＋rfP（3）量热计法量热计法是将电磁能量转换成热能来测量。变换器是感应、吸收电磁能量的负载，称为量热体。负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温差热电势，根据功率和热电势间的关系来确定被测功率。量热体有干负载、流体(水、油等)负载之分。量热式功率计特点优点是准确度高、可靠性好、动态范围大、阻抗匹配好缺点是结构和测试技术复杂，对环境温度和测试设备要求苛刻，而且测试时间长。（4）二极管法在微波功率测量中，晶体二极管是一种最常用的信号检波器，经常用作功率电平的指示器。这种检波器具有灵敏度高，响应时间快，平方律范围大等优点。低势垒肖特基二极管，采用面接触式，机械强度和稳定性得到很大的提高，一致性好。用它制造的功率座可测量nW量级的低电平功率。3脉冲峰值功率测量方法脉冲峰值功率是指出现脉冲功率最大值的载波周期内的平均功率，而脉冲功率是指在一个脉冲持续时间内的平均功率。对于理想的矩形脉冲,峰值功率等于脉冲功率。（1）脉冲功率计法（a）晶体检波器——视频斩波功率计可以测量脉冲宽度内任意时刻的峰值功率，且该方法简单易行。（电压表标出功率刻度值）信号输入端口衰减器负载功率计峰值检波器直流参考电源电压表示波器斩波器功分器直流参考电压脉冲电压晶体检波－视频斩波功率计原理框图示波器上直流参考信号电压与脉冲信号电压比较图校准用（b）射频脉冲峰值功率计射频脉冲峰值功率计的工作原理先用高频二极管检波器检出射频脉冲包络波形然后用选通脉冲控制采样保持电路对脉冲包络波形进行采样，并将采样信号放大变成数字信号，送入仪器内的计算机，射频脉冲包络波形由仪器面板的液晶显示器显示可借助于可移动标线读出脉冲包络上任意点的延迟时间和该处的功率电平，进而求出峰值点的功率电平。（c）峰值功率分析仪峰值功率分析仪具有七种自动测量功能上升时间下降时间脉冲宽度重复周期脉冲重复频率占空系数延迟同时还具有4种自动测量功率的能力峰值功率平均功率过冲功率脉冲顶部幅度（2）平均功率法平均功率法是通过测量射频脉冲功率的平均值、脉冲宽度和重复频率，然后计算出被测脉冲功率值。平均功率常用热敏电阻功率计来测量用示波器测量脉冲宽度和重复频率。平均功率法（续）低电平射频脉冲功率测量高电平射频功率测量示波器检波器定向耦合器脉冲信号源功率传感器指示器FPKPavPPavPPPFCKP2102102CC定向耦合器I定向耦合器II负载被测脉冲信号源检波器示波器热敏电阻功率计2C脉冲宽度，重复频率，波形修正系数平均功率平均功率法（续）平均功率法测量脉冲功率，是一种简便的测量方法，其测量准确度主要取决于热敏电阻功率计的测量误差和脉冲参数的测量误差，以及定向耦合器耦合度的测量误差。平均功率法仅仅适用于占空系数恒定的场合必须考虑热敏电阻座所能承受的最大脉冲功率，如果被测脉冲功率超过功率座所规定的值，应在功率座前端串接一个衰减器，以防烧坏功率座。（3）取样比较法信号源（脉冲）脉冲放大器定向偶合器I被校峰值功率计脉冲产生器控制器开关控制器程控射频开关高速射频开关连续波功率计检波器信号源（CW）精密衰减器定向偶合器II标准小功率计计算机示波器1234将脉冲调制的微波信号与一个辅助的幅度可调的连续波信号，通过