如何利用類比訊號加速射頻元件測試？

此白皮書主要內容為探討了類比訊號產生器在快速射頻元件測試中的應用，重點介紹了是德科技緊湊型射頻和微波類比訊號產生器 AP5001A 和 AP5002A 的功能和應用。這些訊號產生器旨在為電子電路和裝置的測試與評估提供穩定可靠的訊號，使其成為研發、生產測試和現場測試等各種應用的理想選擇。

訊號產生器，也稱為訊號源，提供穩定且可靠的訊號，用於測試與評估電子電路與裝置。便攜式、通用類比訊號產生器具備寬廣的輸出功率範圍、低相位雜訊，以及快速的頻率與幅度切換速度，在研發、製造測試及現場測試中有許多應用。

本應用說明討論了 Keysight 緊湊型射頻與微波類比訊號產生器（AP5001A 與 AP5002A）的多種常見應用。雖然這些訊號產生器耗電低、重量輕（2.5 公斤）且便攜，但性能不會影響（見圖 1）。例如，圖 1 所示的 AP5002A 提供了寬廣的輸出功率範圍（-120 dBm 至+23 dBm）、優秀的相位雜訊（1 GHz 和 20 kHz 偏移時為 -130 dBc/Hz），以及快速的切換速度（300 μs）。這些訊號源是我們接下來將介紹的各種應用中理想的低成本替代方案。

接收器測試

測試接收器以確保其在現實世界中有效運作非常重要，無論是用於消費者、軍事或工業用途。通常不需要昂貴的實驗室級設備來鑑定和測試接收器。你只需要選擇符合需求的訊號來源。無論用於消費、軍事或工業用途，接收機測試對於確保其在實際環境中高效運作至關重要。 AP5002A 訊號產生器具有高輸出功率和調變功能，是模擬實際環境（包括高功率幹擾）的理想選擇。本文章將討論如何使用訊號產生器在各種條件下測試接收機效能，包括功率校準和 RSSI 測量。

射頻阻擋器/干擾器

在各種測試條件下驗證接收機運作，通常包括在附近阻擋者或干擾者影響下測量性能。阻擋器的振幅通常遠大於所需信號;例如，在軍事行動中故意設置干擾器，試圖干擾通訊。阻斷器可能是無意的，例如鄰近頻道中運行的另一套無線系統。在這些情況下，研發團隊會在各種條件下驗證並測試阻斷劑的拒絕。

模擬包含高功率阻斷器的真實環境，通常需要能輸出高功率功率的訊號產生器。AP5002A 配備 1E1/1EA 選項，可提供最高 +23dBm 的訊號及最高 26 GHz 的頻率。高輸出功率也有助於克服製造測試系統中測試線材與開關矩陣的損耗。你可以選擇多種調變技術，例如振幅調變（AM）、頻率調變（FM）、相位調變（PM）和脈衝調變。多種調變可與最多三個可用的內部調變源結合。

外部調變訊號由後面板輸入輸出提供，如圖 1 所示。

圖 2 展示了測試脈衝調變訊號在大振幅連續波（CW）阻斷器影響下接收器性能的簡單配置。我們需要兩個訊號產生器——Keysight MXG 和 AP5002A，分別產生所需的訊號和阻斷訊號。這些訊號隨後會透過射頻訊號合併器或耦合器，傳送至被測接收器。阻斷器及所需訊號的頻率與振幅可調整以驗證接收器效能。圖中右下角的測量螢幕顯示合併信號的頻譜——即期望的脈衝調變波形與較大振幅的 CW 阻斷器。錄音使用 Keysight EXA 訊號分析儀錄製。為了更動態的測試環境，AP5002A 也可以使用「階躍掃描」或「列表掃描」模式掃描輸出訊號的頻率與振幅。

AP500xA（AP5001A 與 AP5002A）具備方便的「步進掃描」模式，使用者可定義開始與停止頻率、所需掃描範圍的點數，以及重複次數。發電機可以快速掃描範圍，或在每個頻率點設定停留時間，這對於涉及電氣長裝置如濾波器和長同軸電纜的測量特別有用。掃描器可用前面板上的 RF 鍵觸發外部，或透過匯流排 LAN、USB 或 GPIB（Opt. GPB）傳輸。

功率校正 / RSSI

許多接收器會測量接收訊號的電平，並將該值以接收訊號強度指示器（RSSI）的形式回報給系統。RSSI 值可用來設定接收器增益，或提供使用者視覺指示，例如手機上的「天線條數」或電腦 Wi-Fi 連線上的功率值。設備製造商常在研發系統驗證的後期階段及最終製造測試中進行此類接收機測試。

當通訊接收器希望具備精確的 RSSI 測量功能時，目標精度可低至 +/-0.1 dB。由於測量路徑損耗及無線電板內的製造公差，RSSI 測量通常會以準確的訊號源進行校正。校準通常跨多個頻率通道，甚至可能跨多個頻段進行，因為同一台無線電可能使用不同的無線電協定，且每個接收子系統會分別校準。測量到的校正係數隨頻率變化，會儲存在無線裝置內部。

圖 3 展示了作為無線裝置校正來源的 AP500xA 訊號產生器。在製造測試期間，接收器可透過開關矩陣連接多種其他測試設備，以快速自動化測試發射器與接收器子系統。在追求高精度與快速測試的要求下，訊號產生器必須具備多項關鍵功能，包括振幅與頻率的準確度與重複性，以及快速切換頻率與振幅。AP500xA 具備這些功能，並能在「列表掃描」模式下獨立設定頻率、功率水平、調變與停留時間，如圖 3 右下角所示。如前節所述，訊號產生器可以持續掃描清單或開始使用觸發訊號。

LO / 時鐘替換

在產品開發階段，研發工程師與技術人員可能會使用訊號產生器來取代系統的本地振盪器（LO）及時鐘子系統。圖 4 展示了一個簡單的接收器，其中 AP500xA 訊號產生器作為 LO 與時脈的替代，當 LO 與時鐘元件的電路原型尚未設計時。第一個訊號產生器作為 LO 替代連接到混音器。混頻器的輸出會經過帶通濾波器以捕捉目標訊號。目標訊號會被放大，然後由類比數位轉換器（ADC）取樣，以便在現場可程式閘陣列（FPGA）中進行額外訊號處理。此時，ADC 與 FPGA 時脈（以 AP500xA 代替）被設定為在不同頻率下運行。這兩個源透過連接其內部參考振盪器，進行頻率鎖定。若有需要，也可以將 LO 產生器頻率鎖定於這兩個來源。

使用訊號產生器作為振盪器與時鐘元件替代品的好處之一，是能以訊號純度優良的訊號來源確認系統運作——低相位雜訊與低雜訊。相位噪聲是測量射頻源頻率穩定性的指標。它通常以長期穩定（通常以百萬分之一（PPM）表示）及短期穩定性為特徵，後者源頭內隨機波動所致。雜訊是不受歡迎、與非諧波相關的音調。由於雜訊與相位噪聲會損害接收器效能，選擇高純度訊號產生器，如 AP500xA，可於系統元件開發時進行效能比較。圖 1 的表格顯示，AP500xA 在 1GHz 和 20 kHz 偏移時，能提供優異的-130 dBc/Hz 相位雜訊。

放大器測試

放大器的目標是訊號放大。它應該能增加訊號的輸出功率，同時不會扭曲訊號所攜帶的資訊。否則，如果放大器無法確保訊號完整性，就失去了放大器的意義。下一節將展示使用 AP500xA 如何簡單且高效地描述並驗證某些關鍵放大器參數。AP500xA 訊號產生器具有快速開關速度和高輸出功率，是生產測試的理想選擇。

增益測試

增益是放大器的關鍵特性。增益因子通常以分貝（dB）或射頻和微波頻率的 10*對數（P/P）表示。Pand P 代表輸出功率和輸入功率進入擴大機。任何製造或使用放大器的人都必須對放大器增益進行特性描述與驗證。射頻/微波工程師會在設計過程中調諧並優化放大器，同時觀察增益表現。技術人員也可能在製造過程中微調放大器以達到最大增益與輸出功率。這些測量通常在不同測試頻率範圍內進行。

有幾種方法可以測量放大器增益。其中最簡單且最精確的技術之一，是結合訊號產生器和功率感測器或訊號分析器。由於增益是輸出功率與輸入功率之間的相對測量或比率，訊號產生器的功率水平會根據放大器輸入端的已知功率水平P 調整，並以放大器的輸出功率 Pi 來測量，接著使用功率感測器或訊號分析儀測量。Pcan 的調整是在初步校正過程中完成，當時功率感測器會暫時連接到放大器的輸入參考平面。放大器增益通常會在不同頻率範圍內測量。在製造測試中，吞吐量至關重要，AP500xA 在頻率與振幅上提供低於 300 微秒的快速切換速度。

增益壓縮是放大器另一個重要特性。隨著腳位增加，增益在小訊號區域保持相對平穩，直到放大器進入壓縮或「飽和」狀態，增益才會下降。增益下降 1 dB 的輸出功率稱為 1dB 壓縮點，或稱「P1dB」。在測量高功率放大器的增益壓縮時，例如輸出功率大於+30 dBm（1 瓦特）的放大器，訊號產生器必須能夠以盡可能少的失真方式，將所需的高輸出功率提供給被測放大器。如前所述，AP5002A 在 1EA 選項下可提供高達+23dBm 的輸出功率。在製造測試中，高輸出功率有助於補償測試機架電纜及開關矩陣系統中的訊號損耗。

高功率與快速切換速度使其成為製造測試的理想選擇。

圖 5 展示了測試設置，用以衡量放大器的關鍵性能指標，如增益。在放大器輸入前後放置衰減器，有助於減少阻抗不匹配並保護樂器免受損害。你也可以考慮在輸入衰減器前放置隔離器，以終止因不匹配而回流回訊號產生器的反射功率。圖左下角的增益圖同時顯示放大器的工作區域、小訊號與壓縮，以及增益降低 1 dB 時的 P1dB 點。

互調 (IM) 測試

放大器資料表通常包含稱為三階截距（IP3）的非線性失真規範。你可以使用兩個或以上的 CW 訊號進行失真測量，並測量放大器非線性效應所產生的不想要訊號的頻率行為。失真測量對無線電及無線通訊產業尤為重要，因為這些不受歡迎的訊號可能落在工作頻段內或相鄰的頻率通道，降低整體系統效能。裝置製造商通常在設計與製造階段進行這些測試。

測量雙音 IM 失真所需的典型配置需要兩個訊號產生器。圖 6 顯示兩個 AP500xA 訊號產生器，分別在不同頻率 f 和 f 運作。頻率間距通常與無線電系統的頻道間距有關。合波器將 AP500xA 產生的兩個訊號加總，並將合併後的訊號應用於被測放大器。當你處理較高輸出功率時，需要一個有良好隔離效果的合路器。

在測量前，訊號分析儀（如 EXA）會校準兩個音調的功率水平，以確保它們在放大器輸入參考平面上輸出相同的功率（dBm）。左下角的測量畫面顯示放大器輸入端提供的兩個音調，右下角則顯示放大器輸出端的兩個音調，包括 IM 產物。IM 產物是放大器非線性效應所產生的。此失真積通常以相對測量值（dBc）表示，或是 dB 與載波振幅的差異。失真產物是一項重要的測量，因為它顯示了相鄰無線電頻道中可能存在的失真程度。AP500xA 訊號產生器用於產生雙音訊號以進行 IMD 測量。

這些失真產物稱為「三階」，因為輸出功率增加 1 dB 時，失真電平也會增加 3 dB。換句話說，這些不需要的訊號增長速度是 f1 和 f2 的三倍。下一節將更詳細說明三階產品。

三階截距（TOI）測試

在指定失真產品時，一大挑戰是輸入功率在不同放大器和測試配置下可能差異很大。更好的方法是計算被測放大器的「截距點」。截距點是指基本載波與 IM 積相等的功率水準。此參數可作為比較放大器非線性性能的指標，且是放大器製造商資料表中常見的關鍵參數。

互調產物的斜率等於其階數。例如，使用前一節的雙音測試，兩個基頻載波的輸入功率在功率範圍內變化相等，並測量基頻與中波乘積的輸出功率。這些功率階會在同一張 Pversus Pgraph 上繪製，如圖 7 所示。基道曲線的斜率代表放大器的增益，而失真曲線的斜率則代表 IM 積的階數。在此測量中，基波變化 1 dB 對應 IM 積變化 3 dB，產生三階 IM積。隨著輸入功率增加，放大器最終會進入壓縮或飽和狀態。當這兩條線從線性範圍外推時，它們會到達理論上的三階截距（TOI）點交點，放大器資料表上常標示為「IP3」。IP3 是放大器的關鍵參數，表示失真產物的相對抑制。較高的IP3 值可在指定輸入功率下降低失真，並提供比較不同放大器性能的方法。

請注意，頻譜分析儀或訊號分析儀是少數能測量放大器或其他非線性裝置（如混頻器）輸出端失真產物的儀器之一。訊號分析儀以頻率的函數顯示訊號功率測量值。功率感測器不提供頻率內容資訊，而是對整個感測器頻率範圍內所有功率進行單一綜合測量。

結論

為確保成功並加速產品開發，具備更快切換速度、卓越訊號純度及卓越輸出功率的訊號源，將使您能快速表徵並選擇元件與子模組。

Keysight 緊湊型類比訊號產生器 AP500xA 提供快速切換速度、卓越的訊號純度與高輸出功率。其他功能包括 AM、FM、PM 及脈衝調變、高效能烤箱控制晶體振盪器（OCXO），以及優異的諧波/非諧波表現。此外，享受 Keysight 三年保固及 KeysightCare 技術支援，降低專案風險。

【延伸產品閱讀】

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• Keysight AP5002A - 9 kHz 至 26 GHz, 類比信號產生器 (請點選查看產品規介紹)：是德科技 AP5002A 類比訊號產生器是一款體積輕巧、功能強大的測試工具，可作為射頻與微波訊號源，為您提供前所未有的便利性。
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