行動通訊相位雜訊 VSWR RF 量測儀器頻率

RF規格特性一次掌握　行動通訊訊號測試快又準

2013-05-13

小樵

RF測試已成為現今行動通訊產業工程師每天的例行工作，而測試人員必須相當了解RF規格特性，才能有效掌握測試技巧，進而提升量測效率，同時確保終端產品RF通訊穩定度與效能。

射頻(RF)儀器有許多規格代表儀器效能，這些不同規格各有不同用處。隨著無線技術不斷變化，RF元件與裝置設計已成為工程師的例行工作，然而工程師在這方面的經驗可能並不完整。本文將為大家說明頻率範圍、瞬間頻寬、微調速度、相位雜訊以及電壓駐波比(VSWR)等，讓工程師可以在RF產生與分析作業上能更駕輕就熟。

掌握訊號頻率範圍　測試作業快又有效

首先工程師須先了解RF頻率範圍、瞬間(即時)頻寬、微調速度、相位雜訊與電壓駐波比等各種不同的規格，才能透過適當的儀器執行RF產生與分析作業。值得注意的是，所有的RF裝置與RF儀器一樣，均受限於相同的設計規則。

頻率範圍是RF儀器的重要特性之一。比如說，無線區域網路(Wi-Fi)測試解決方案所需的運作頻率高達2.5GHz。

一樣的道理，如要分析運作頻率為900MHz的元件，採用此元件的儀器必須在相同的頻率範圍內運作才行。混合器、輸入濾波器、局部振盪器(LO)等元件都會影響RF儀器的最大頻率範圍。不過主要是透過調整LO，才能將儀器設定為在特定的頻率內運作。

此外，有些儀器會採用多種系列的LO，但是簡化過的儀器方塊圖卻只使用一個LO(圖1)。

圖1　局部振盪器決定頻率範圍

LO搭配RF輸入，後者可以將RF訊號降轉換為中頻 (Intermediate Frequency, IF)訊號。相同的頻率合成技術也適用於RF訊號產生器。使用電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)或釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet, YIG)即可完成頻率合成作業。

傳統的作法是RF儀器會採用YIG架構以產生LO。YIG是一種電流控制振盪器(Current Controlled Oscillator)，其特色是密集的相位雜訊與大頻率範圍(高達20GHz或以上)。不過YIG架構的儀器不但耗電量高，也可能相當昂貴。

相較於其他方法，調整YIG的頻率或許得花更多時間，因此，近期採用VCO的LO架構變得更普遍。VCO的頻率範圍比YIG更小，但微調速度卻快很多。

儀器瞬間頻寬取決RF類比前端

瞬間頻寬(Instantaneous Frequency)也稱為即時頻寬(Real-Time Frequency)，代表了某儀器產生或擷取的最高連續RF頻寬。例如向量訊號產生器產生訊號的中央頻率可能是2.45GHz，但是該儀器的瞬間頻寬(也稱為訊號頻寬)可能只有20MHz。訊號頻寬代表此裝置可連續擷取20MHz的RF頻譜，不必重新調整LO。

瞬間頻寬主要取決於該儀器的RF類比前端裝置。如要深入了解瞬間頻寬，可先掌握RF儀器的基本架構。事實上，目前的技術無法數位化GHz範圍內的每個訊號，所以RF儀器會採用一系列的LO、混合器、濾波器等，才能將RF訊號導入IF或基頻頻率範圍。

如圖2所示，此為向量訊號分析器的示意圖。向量訊號分析器將一部分的RF頻譜降轉換至類比數位轉換器(ADC)可辨識的IF。RF儀器的瞬間頻寬主要取決於該儀器採用的濾波器以及ADC的取樣率與頻寬兩個要素。

圖2　濾波器與類比數位轉換器決定瞬間頻寬

儀器的瞬間頻寬是否重要，主要取決於應用本身。例如要產生窄頻的FM訊號，只需要200kHz的瞬間頻寬即可，但如果要產生並分析寬頻訊號，例如Wi-Fi，那就至少需要20MHz的瞬間頻寬，如果瞬間頻寬比重點訊號本身大很多，就可以大幅提高頻譜遮罩測試等應用的速度。若儀器的瞬間頻寬不夠頻譜遮罩測試作業使用，就須重新調整儀器，才能擷取區段內的頻率資訊。

微調速度反映LO趨緩時間

微調速度(Tuning Speed)是指LO在特定的準確度範圍內變更中央頻率所需的時間。將振盪器調整至不同頻率的時候，LO的趨穩時間即代表了微調速度。就一般系統而言，如要調整頻率，LO通常會稍微超過所需的頻率，並且在特定時間內趨穩至所需的頻率。基本上，微調速度是一種頻率間隔(Frequency Step)大小功能。頻率間隔越大，LO調整至特定範圍所需的時間就越長。表1為YIG架構LO的趨穩時間。

對於802.11g收發器自動化生產測試等應用來說，微調速度可說是非常重要的規格。由於802.11g標準明訂了裝置必須在2.4G～2.48GHz之間於十四個通道之一運作，所以RF儀器須用來測試多種頻率內的裝置運作狀況。測試訊號的掃頻速度越快，測試接收器的速度也就越快。

相位雜訊攸關儀器測試性能

相位雜訊(Phase Noise)是指RF儀器的短期頻率穩定性。相位雜訊是由小型的瞬間LO相位抖動而造成的，會在鄰近載波的頻率內產生訊號功率。有個簡單的方式可以說明相位雜訊的影響，那就是分析頻域內的單一音調。如圖3所示，此為兩個模擬載波，一個是理想載波，一個具有相位雜訊的模擬載波。

圖3　理想載波與非理想載波

圖3左側為單一音調產生，理論上會造成單一功率峰值，集中在非常精確的頻率範圍內；右側卻很不一樣，其中的相位雜訊(主要是時域抖動)會使訊號以漸歇性的方式分布在頻域內。

只要量測偏離所需載波的多項訊號振幅，即可取得相位雜訊。如圖3右側所示，測試工程師量測了誤差值為1kHz的-95dBc相位雜訊，以及誤差值為1kHz的-146dBc相位雜訊。

RF儀器相位雜訊的重要性取決於應用本身。如要偵測接近特定重要訊號的低階遮蔽訊號，就會需要密集的相位雜訊。

圖4　LO相位雜訊產生IF相位雜訊

此外，使用具有大量相位雜訊的LO時，相位雜訊就會在之後的IF訊號中變大。圖4為LO相位雜訊轉換至後續IF訊號的相位雜訊。

就此應用而言，這兩個訊號的相位雜訊會彼此干擾，讓工程師難以辨識特定的遮蔽訊號特性。另外，也可透過星座圖來呈現訊號解調變，以便了解相位雜訊的影響。

圖5　出現相位雜訊時，星座圖呈現旋轉狀況。

具有大量相位雜訊的訊號會在星座圖中呈現出規律旋轉的狀況。圖5比較了理想的四相位偏移調變(4-Phase-Shift Keying, 4-PSK)訊號與四個符號(以黑點表示)，並且從左圖傳輸至右圖中具有大量相位雜訊的訊號。

相位雜訊會降低RF儀器的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)效能，進而影響實際的量測作業。若就位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)測試而言，相位雜訊則會增加錯誤率。

電壓駐波比重要性日增

另一方面，電壓駐波比與傳輸線(Transmission Line)理論有密切的關聯，且隨著儀器頻率範圍擴大，也變得越來越重要。大致上來說，電壓駐波比是指沿著傳輸線出現的阻抗失配(Impedance Mismatch)而造成的訊號反射狀況。

就理想狀況而言，RF儀器的阻抗會符合每個接線的阻抗與待測裝置的輸入阻抗。然而，不對稱訊號軌跡與零件/元件差異等減損狀況，都會改變儀器阻抗的特性。因此，訊號反射會在RF傳輸時出現，並且影響訊號的振幅與相位準確度，導致測試效率受到影響。

訊號反射振幅取決於所使用的材質屬性與頻率範圍。傳輸線的阻抗失配會直接造成電壓駐波比，且在高頻率範圍內還會變得更嚴重。舉例來說，如果電壓駐波比是1：1，代表系統完全相符。相反的，如果電壓駐波比是1.1：1，代表高達10%的訊號振幅在傳輸線內出現反射狀況。因為電壓駐波比也取決於材質屬性，可以根據反射係數Γ計算而得，方程式如下公式。