基于二極管檢波的功率測量技術研究
本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/169490.htm
峰值功率測量通道典型原理如圖4所示,二極管輸出的檢波信號首先進入低噪聲前置放大器,經濾波和帶寬控制后一路進入后置放大電路,然后進入高速ADC進行數模轉換,另一路進入觸發(fā)和精密內插電路,通過比較電路產生同步觸發(fā)時鐘信號,最后由DSP或CPU 完成數據的補償和信號處理,實現功率脈沖各種時域參數[3]的自動測量和統(tǒng)計分析,并最終顯示給用戶。
在實際應用中,為了提高儀器的動態(tài)范圍,常常根據檢波信號的大小,利用開關電路將信號進行高低量程切換,即將信號分為兩路,分別經不同放大電路進行處理,或者直接采用大動態(tài)范圍對數放大電路放大檢波信號,這既保證了小信號的測量靈敏度,又保證了大動態(tài)范圍,最后再由ADC將轉換結果傳給DSP進行量程識別和處理。為了以較低的采樣速率獲得較高的重復信號測量帶寬,現代峰值功率測量儀器常采用隨機采樣技術,利用精密內插電路,大大提高了脈沖功率測量的時間分辨率,可進行納秒級上升時間和脈沖寬度等時間參數的測量。
3、復雜調制信功率測試的新需求
得益于半導體和計算技術不斷發(fā)展,二極管逐漸成為傳感功率的主要元件,平衡配置的二極管檢波探頭的視頻帶寬可達100MHz,其技術已相對成熟,技術更新日趨減緩。基于此,功率測量的發(fā)展重點集中在對新興數字調制信號的測量與分析以及測量設備的小型化和模塊化上。
一方面,隨著數字通信技術的迅猛發(fā)展,涌現出大量的數字矢量調制技術[4],如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等,這些信號已經逐漸從早期對載波的幅度調制,過度到對載波相位和幅度的綜合調制?,F代通信常常采用復用和多址技術,在時域上,這些信號的功率包絡也從簡單的周期性脈沖信號過渡到占空比和脈沖功率同時變化的信號,有的甚至沒有明顯的脈沖包絡,時域波形與隨機噪聲非常類似(如CDMA、WLAN 802.11a),并且具有超過50dB的峰均功率比。這些新型調制技術對儀器的視頻帶寬、動態(tài)范圍、實時采樣速率提出了更高的要求,同時要求儀器能夠實現多種觸發(fā)功能,從而可以自動識別幀模式信號的有效載荷,并結合特定的數據統(tǒng)計和處理方法分析信號的功率特性,如PDF(概率密度函數)、CCDF(互補累積分布函數)等統(tǒng)計分析工具。
以TD-SCDMA為例,TD-SCDMA是我國提出的一種移動通信標準,該技術綜合應用了頻分、時分和碼分多址技術,其時分技術允許基站和移動終端分時使用同一個頻帶,碼分多址技術允許16個用戶共享一個時隙,其典型時域波形如圖5所示。圖中3個有效時隙的功率電平和峰均功率比各不相同,并且各個時隙的功率電平表現為類似噪聲的信號,因此在測量TD-SCDMA信號時,必須能夠準確測量各個時隙的時間寬度、上升時間、下降時間,各時隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比,并利用統(tǒng)計分析功能檢查各有效時隙是否存在元件非線性引起的削波或壓縮現象。在測量此類信號時,必須保證30MHz以上的視頻帶寬,采用100MSPS以上的采樣率和大于50dB的動態(tài)范圍,采用時間門或標記功能對有效載荷進行獨立的功率測量和功率統(tǒng)計分析,這樣才能實現對數字調制信號的正確測量和分析。
圖5 TD-SCDMA功率包絡時域波形
微波功率測量儀器在向寬動態(tài)范圍、大視頻帶寬和高采樣速率發(fā)展的同時,還逐漸向小型化和模塊化方向發(fā)展。目前, VXI微波功率測量模塊已經獲得普遍應用,PXI功率測量模塊也已經進入市場。由于部分探頭內部采用高穩(wěn)定的直流參考電路,已經不需要校準源進行線性校準,這使得基于USB接口的平均功率探頭開始出現,這種設計方案不需要功率計主機,無需頻繁利用校準源進行校準,功率探頭直接或經過適配器連接到計算機、PDA或其他測量儀器的USB主機接口,主機利用內部主控軟件即可實現功率顯示和參數設置,這大大縮減了測試步驟,非常利于搭建自動測試系統(tǒng)。相信隨著信息技術的不斷發(fā)展,具有多種觸發(fā)功能的USB峰值功率探頭和具有顯示和小鍵盤輸入的手持式功率測量設備也將出現,這無疑會極大方便現場測試應用和測試系統(tǒng)的組建。
4、結束語
二極管功率檢波具有較好的靈敏度和動態(tài)范圍,并且能夠快速響應信號的包絡變化,已經逐漸取代熱敏電阻和熱電偶成為傳感微波功率的主要手段?,F代峰值功率測量儀器采樣速率可達到100MSPS,通道帶寬達到30MHz,最小可測脈沖寬度達10ns,動態(tài)范圍一般超過50dB,甚至達到60dB[1,5],可進行多種脈沖功率參數的測量,如峰值功率、平均功率、頂部幅度、底部幅度[3]、上升時間、下降時間、脈沖寬度、占空比、脈沖重復頻率等。
在實際應用中,為了準確測量射頻和微波功率,必須在掌握被測信號特性和測試需求的基礎上,了解功率探頭檢波特性、主機測量通道及數據分析和處理能力。特別是在數字矢量調制信號的功率測量應用中,必須根據信號頻率范圍、功率范圍、功率電平、信號的頻譜功率總量以及調制形式等因素,在明確測量不確定度的基礎上,選擇恰當的功率測量解決方案。
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