工程師通常使用向量網路分析儀(VNA)執行增益(Gain)與群延遲(Group Delay)量測。向量網路分析儀會使用掃描的正弦曲線訊號作為激發訊號，並擷取待測裝置(DUT)的響應。
本文所述之另一種替代方法，則是使用寬頻多載波訊號作為激發訊號。硬體設定包括使用向量訊號產生器(VSG)產生寬頻激發訊號，並使用向量訊號分析儀(VSA)擷取待測裝置響應。藉由使用兩種不同的儀器，可分別對位於不同地點的訊號源與接收器進行量測，適合天線範圍較大的應用。
在較大的天線範圍中，發射器與接收器可能位於不同地點。而傳統的向量網路分析儀則是在單一儀器內同時納入訊號源與接收器，如此便須從向量網路分析儀拉一條長纜線至天線範圍內的發射器與接收器。在高頻狀況下，長纜線會導致難以修正甚或無法修正的大量損耗。如果使用兩部儀器，便無須使用長纜線，可減少校驗挑戰。
以下將詳述如何使用向量訊號產生器與向量訊號分析儀，作為量測增益與群延遲的寬頻解決方案。實作過程包括校驗挑戰與錯誤訊號源的分析。實驗結果將與傳統的向量網路分析儀進行比較，並探討此方法的潛在應用。
產生激發訊號
激發訊號是由包含可變間距之任意數量音頻所構成的多音頻訊號。由於量測為激發訊號與響應訊號的比例，因此音頻與音頻之間的相位關係可能有所不同。音頻的相位分布可加以調整，以提供激發訊號不同的特性，例如顯示為高斯雜訊(Gaussian Noise)的隨機相位分布，或產生柔和波峰因數(Crest Factor)的拋物線狀分布。
可使用任意波形產生器(AWG)來產生寬頻多音頻訊號。新型任意波形產生器可產生多GHz的類比頻寬。然而，大多數應用都須借助外部射頻(RF)升頻，將激發訊號移至中心頻率，但外部升頻器與測試纜線須先經過修正，以便抑制失真產物，並確保量測參考平面之正確激發訊號特性。修正是在閉路系統中使用頻譜分析儀執行的，以便量測訊號特性。接著，須套用數位預失真(DPD)，以提高參考平面之激發訊號品質。圖1及圖2顯示預修正及已修正的訊號。驗證激發訊號後，便可擷取參考資料。
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| 圖1 未修正之多音頻激發訊號 |
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| 圖2 已修正之多音頻激發訊號 |
訊號擷取與量測
向量訊號分析儀會擷取並儲存每個參考音頻的複合資料，接下來則加入待測裝置並使用與參考音頻相同的方式記錄其響應。響應與激發訊號之比例化量測值，則用於計算待測裝置的增益與群延遲。響應與激發訊號無須位於相同頻率，因為這兩種訊號皆會在向量訊號分析儀內，以中頻(IF)降頻並數位化，如此便可執行頻率轉換裝置之量測。
待測裝置的嵌入LO可插入相位與頻率偏移誤差。大多數裝置的LO皆鎖定至具備高度頻率穩定性的水晶振盪器，以將頻率偏移誤差的機率降至最低。任何頻率漂移都將在向量訊號分析儀的接收器頻寬內擷取。隨著時間推移，頻率偏移將顯示為線性相位變化。若已知頻率偏移值，則以單一音頻作為試點(Pilot)，便可估算相位變化的斜率。LO相位漂移會為每一個音頻帶來常數相位偏移，但此常數在以下定義的群延遲計算中，將予以移除：
由於已知參考音頻的頻率與相位，因此可執行頻率量測並擷取後續響應之相位漂移。
克服校驗挑戰
在激發訊號與響應路徑中，系統將帶來校驗挑戰。藉由分析激發訊號升頻路徑之特性並套用數位預失真，可確保待測裝置輸入端擁有正確的訊號特性。另亦可分析射頻降頻路徑特性，並用於建立數位等化濾波器，以補償額外的失真。使用頻率轉換裝置後，便須以輸入頻率分析升頻路徑特性，並以輸出頻率分析降頻路徑特性。
參考資料擷取可視為無關訊號源或負載失配(Load Mismatch)誤差之響應校驗。可加裝精準度衰減器，將失配誤差機率降至最低，以改善訊號源與負載阻抗匹配。
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| 圖3 硬體配置圖 |
圖3顯示所需的硬體配置，其中使用向量訊號產生器產生激發訊號，而向量訊號分析儀則當作接收器使用。這裡所使用的配置包括：寬頻任意波形產生器(Keysight M8190A)、IQ調變器加升頻轉換器(Keysight E8367D)、降頻器(Keysight N9030A)、高速數位轉換器(DSO9404A)以及IQ分析軟體(Keysight 89601B)。
最後結果顯示，此範例藉由量測400MHz範圍內，其中心頻率為10.24GHz的濾波器，以便進行系統驗證。激發訊號則是由四百個以1MHz為間距以及隨機相位分布的音頻所組成。圖4及圖5將量測結果與向量網路分析儀(Keysight N5242A)進行比較。
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| 圖4 記錄振幅(VSG/VSA：A，VNA：B) |
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| 圖5 群延遲(VSG/VSA：A，VNA：B) |
在帶通濾波器中，兩種方法呈現良好關聯性。振幅變異約為0.1dB，群延遲約為300pS。然而，這些差異係存在於兩種儀器之不確定性範圍內。隨著音頻的功率等級接近雜訊位準，在帶通濾波器外部所測得的雜訊也跟著增加。
大幅降低誤差 提高量測準確度
如果訊號源與接收器位於不同的地點，可使用兩種儀器來進行遠端量測，是在大天線範圍等應用中執行量測的實用方法。相對於使用VAN進行的參數測試，此方法可視為功能性測試。例如，寬頻激發訊號較接近於實際操作中，有多個通道同時運作的衛星酬載(Payload)；亦可在多音頻訊號中指定陷波(Notch)，以激發非鄰近頻道。
本文所提議之方法可使用向量訊號產生器與分析儀，進行增益與群延遲量測。藉由使用數位預失真與數位等化濾波器，可大幅減少頻率轉換與訊號路徑所導致的誤差。結果顯示，此方法所得的量測結果與傳統的向量網路分析儀量測值之間具有良好關聯性。
(本文作者任職於是德科技)