克服现代信号和频谱分析仪的局限性：展望未来

Wolfgang Wendler, Rohde & Schwarz, Munich, Germany

随着移动和无线通信应用对数据传输速率的要求不断提高，对更宽调制带宽和更高调制阶数的需求也持续增长。这些要求决定了需要更高的信噪比才能在星座图中找到正确的点。因此，用于这些应用的关键元件必须表现出接近其物理极限的性能。然而，当代信号分析仪的动态范围不足以在较宽的频率和功率范围内测量这些元件的性能。目前克服这些限制的策略包括 IQ 平均或交叉关联信号处理技术。

当前的变通办法

IQ 平均是一种常用的噪声消除技术，但这种方法需要重复信号。多次平均相同的 IQ 数据可减少随机高斯噪声，而信号或 IQ 向量在所有捕获中保持一致。这种策略可以增强动态范围，并将测量仪器增加的噪声降至最低。尽管目前的分析仪都采用了这种方法，但它也有局限性。

当没有重复信号时，可采用交叉关联技术来克服动态范围的限制。这种技术需要两个信号分析仪，它们必须进行时间对齐，这就需要额外的信号处理来进行交叉关联计算。遗憾的是，这不仅增加了测量的复杂性，也增加了测试成本。

其他仪器，如示波器，可能会为此应用提供两个甚至更多的输入。然而，示波器的动态范围通常有限。模数转换器针对信号的宽带数字化进行了优化，即使采用交叉关联技术也无法改善这种情况。具有多个输入端的 PXI 模块通常具有更宽的动态范围；但是，当不需要的信号位于图像频率或不需要的混频产物位于感兴趣的频带内时，缺乏预选功能会限制动态范围。

构想新的架构和新的可能性

如果将信号分析仪设计成具有两条内部接收路径会怎样？这样的结构可以通过输入端的预选来抑制图像频率上不需要的信号或不需要的混频产物。包括分路器在内的两条路径可由仪器制造商进行校准和均衡。只需按下按钮即可启动交叉关联功能，无需外部分路器和额外的校准步骤。如果不使用内部分路器，而是将两个射频输入端口直接路由到接收单元，则可将多个接收路径用于所有现代移动或无线通信标准（如 WLAN 或 5G）以及雷达应用。图1 展示了具有两条接收路径的新架构在提高性能方面的潜力。

图1 新架构为实现新的性能水平提供了可能性。

交叉关联技术大大提高了相位噪声分析仪的性能

交叉关联技术的应用可能会超出动态范围。它还能产生传统信号和频谱分析仪无法实现的测量结果。在罗德与施瓦茨 FSWP 和FSPN 等专业相位噪声测试仪中，交叉关联技术已被广泛应用于相位噪声测量，以抑制相位噪声测试仪内部本地振荡器的相位噪声。这一点很重要，因为现代通信应用通常在较高频率下运行，振荡器的相位噪声随频率 f的20log(f) 变化。随着频率的增加，相位噪声会直接影响 EVM 性能。如果相位读数不稳定，就很难在星座图中检测到正确的星座点。因此，系统可能不得不切换到低阶调制方案，从而降低数据传输速率。因此，必须对合成器或振荡器进行精确测量，以确保优化相位噪声性能。因此，现代通信应用通常需要昂贵的相位噪声测试仪以及良好的信号和频谱分析仪。这是因为内部本地振荡器导致分析仪的测量性能有限。

图2 显示了采样率为 20 MHz 的 QPSK 信号的性能如何随着相位噪声的增加而下降。在 100 kHz 偏移时，相位噪声为 -95 dBc/Hz 时，传输的信息非常清晰。然而，随着相位噪声的增大，信息会逐渐变差。当相位噪声为 -80 dBc/Hz 时，很难从信号中解码出正确的数据。系统必须退回到 BPSK 调制，从而降低数据传输速率。QPSK 的相位噪声性能至少需要达到 -90 dBc/Hz，这在 140 GHz 的中心频率上是相当难的。这说明需要具有交叉关联功能的测试和测量设备来精确测量相位噪声，从而优化振荡器和合成器。

图2 相位噪声性能对实现高数据传输速率至关重要。

快速发现隐藏的毛刺

对于现代雷达应用而言，探测无人机等雷达截面（RCS）较小的目标正变得越来越重要。这就需要提高这些应用的测试设备灵敏度。这项工作的关键是降低接收器的宽带本底噪声，并改善本地振荡器的相位噪声性能。这将有助于揭示小目标的 RCS 反射，在轻微的多普勒频率偏移后，杂波反射将不再被掩盖。

除了降低相位噪声和抑制宽带输入噪声外，检测系统中不需要的微小毛刺和干扰信号的能力也至关重要。这些小信号可能被误解为目标，从而限制了灵敏度。目前，信号和频谱分析仪可以检测到这些微小的干扰信号。然而，要看到接近噪声本底的毛刺，频谱分析仪的分辨率带宽（RBW）需要降低到几赫兹。由于滤波器的稳定时间较长，这大大降低了扫描速度。因此，这种技术需要较长的测量时间来描述系统特性和检测不需要的干扰。

如果接收器的结构包括两条路径，允许用户应用交叉关联技术，会怎样呢？这样就可以将信号分析仪的本底噪声抑制到物理极限，而无需降低 RBW。与必须应用较小 RBW 的分析仪相比，这样就能在极低的固有噪声电平下实现更快的扫描，而 RBW 的稳定时间又会限制扫描速度。

在图3 中，底部轨迹显示的是使用交叉关联检测器时的测量结果。为便于比较，上图显示了使用有效值检测器进行的测量。在 RBW 为 1 MHz 时，均方根检测器几乎检测不到毛刺。这些结果表明，交叉关联技术只需略微增加测量时间，就能降低测试本底噪声。

图3 使用有效值检测器（上）和交叉关联技术（下）的测量结果。

克服以往 YIG 与预选滤波器之间的宽带难题

目前，试图进行宽带调制分析的标准信号分析仪缺乏微波频率下的 IQ 分析预选功能。在高达几GHz的特定频率下，信号被上转换为高中间频率，图像在更高的频率上。低通滤波器用于抑制图像。然而，在频率高于 5-10 GHz时，根据所用仪器的不同，为抑制图像而进行的上变频会增加过多噪声。因此，在这些频率上使用 YIG 滤波器进行预选，以抑制不需要的图像。根据频率范围的不同，这些 YIG 滤波器的带宽有限，最大为 50 MHz。此外，YIG 滤波器还表现出很强的纹波，范围在几个 dB 之间，因此无法用于 IQ 分析。进行 IQ 分析时，必须绕过 YIG 滤波器，图像频率上的噪声或不需要的信号会导致测量结果恶化。

如果使用滤波器组来克服这一难题，会怎样呢？用于预选的滤波器组具有较宽的带宽和平坦的频率响应。这提供了高水平的精度，使其成为 IQ 分析的理想选择。在分析带宽远大于 50 MHz 的情况下，可以进行带图像抑制的宽带 IQ 分析。根据中频频率和模数转换器的不同，分析带宽可达到数 GHz。这将增加动态范围，减少图像频率上干扰造成的误差。此外，由于 YIG 滤波器的纹波不会造成衰减，因此在频率响应平坦的情况下，CW 载波或尖脉冲电平测量的绝对误差将大大减小。通过预选，微波范围内的电平测量不确定度可以达到 1 dB 甚至更高，从而使某些应用无需额外的功率传感器。这样就能为雷达应用提供准确的脉冲电平。图4 显示了滤波器组和 YIG 滤波器之间的区别。从图4 中可以明显看出，与 YIG 滤波器相比，尽管滤波器组对带外信号的抑制较弱，但却能提供更宽的可调带宽和更平坦的频率响应。

图4 滤波器组与 YIG 滤波器频率响应的比较。

对于频谱分析而言，YIG 滤波器的扫描速度很慢，而且不准确，因为用户需要在很宽的频率范围内进行扫描。用于预选的滤波器组可以使分析仪的频谱分析速度提高 10 到 20 倍，因为滤波器组的切换速度远远快于 YIG 滤波器的扫描速度。不过，阻带的信号抑制比 YIG 滤波器低 20 到 40 dB。

将两者结合起来是最有效的解决方案。当需要进行窄带频谱分析以检测最小的干扰时，分析仪可以使用 YIG。然后，分析仪可以使用滤波器组进行 IQ 分析或提高测量速度。滤波器组与多径接收机结构相结合，也可以成为搜索杂散信号的有用工具。这是因为，当使用不同的中频接收路径频率进行测量时，频谱分析仪固有的与 LO 相关的杂散可以很容易地被抑制，因为杂散出现在不同的频率上。简单的 NAND 操作就能抑制这些固有的无用发射。

简化相控阵天线测试设置

航空航天、国防、移动通信和汽车雷达中的波束转向应用通常使用相控阵天线。这些天线需要对不同发射路径之间的相位进行良好的校准和测试。如果信号分析仪设置能在校准初始相位期间测量多个相位相干路径的情况，会怎么样呢？每个通道都必须是相干的，这样才能精确确定波束精度。它还有助于评估调制条件下的相控阵天线，如图5 所示，其中一个阵元需要与第 n 个阵元进行比较。

图5 在调制条件下测试的相控阵天线中一个阵元与第n个阵元的比较。

在这种情况下，可以使用矢量网络分析仪 (VNA)，但在需要对调制条件进行拼接时，过程会变得很慢。另外，也可以使用示波器，但示波器的动态范围有限。PXI 模块共享相同的本地振荡器，可提供更宽的动态范围，但这两种解决方案通常都不采用预选。如果不进行预选，图像频率上的信号可能会进一步限制动态范围，而克服这些限制所需的设置可能会变得相当复杂且容易出错。

雷达测试：信号干扰的影响

要有效捕捉整个场景并分析不同频率下不同通信标准的信号或通信与雷达信号之间产生的相互干扰，需要一台带宽很宽的分析仪。此外，还可以使用具有不同输入或一个输入和不同接收器的分析仪。使用示波器或基于 PXI 的信号分析仪时，无法对其他信号接收路径的衰减或前置放大器增益等特殊输入设置进行调整。这就限制了测量场景的动态范围，例如，需要检测雷达应用中的微小高次谐波电平，同时存在较强的移动通信信号。此外，可用的分析带宽也限制了分析仪可捕捉的频率范围。

考虑一下具有多输入或多路径结构的信号分析仪的潜力，它可以为本地振荡器设置不同的频率，或在输入端设置不同级别的增益或衰减。这样的设置甚至可以触发与测量频率完全不同的频率。试想一下，在 2.45 GHz 频率上触发 Wi-Fi 突发信号，并观察雷达信号是否受到影响，如图6 所示。

图6 分析 2.45 GHz的 Wi-Fi 信号对 6 GHz雷达信号的影响

调制成分分析：更好的方法？

如果同时测量不同频率甚至相同频率的两个信号的能力也能用于表征元件的特性，那会怎样呢？用户可以比较放大器输入和输出端的信噪比或 EVM 性能。这也可用于不同频率设置的上变频器和下变频器。两个信号将同时捕获，甚至不需要知道输入信号的调制；用户可以比较 IQ 数据。

测试电子战 DRFMS

这种未来情景也为电子战应用带来了希望。用户可以检查其应用的输入和输出，并实时分析信号的相位和振幅。如果能同时捕获数字射频存储器前后的调制脉冲雷达信号，从而确定振幅和相位变化的特征，优化系统以实现有效的干扰应用，那将会怎样？

同样，这些测量可在 VNA 上进行，但这些仪器的分析带宽通常有限。也可以使用示波器，但其动态范围有限，可能无法显示必要的相位和振幅调制细节。此外，示波器通常不提供内部分析工具来有效地执行这项工作，因此必须使用外部软件解决方案。

结论

当代信号和频谱分析仪在处理新兴技术时存在相当大的局限性。本文提出了一种可克服这些限制的新架构和可能性。通过在信号分析仪中采用两条内部接收路径、输入预选和内置交叉关联技术，可以增强动态范围，提高测量速度，并大大简化测试设置。这些进步的潜力可以彻底改变我们分析信号和频谱的方式。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：www.microwavejournal.com/articles/43883