現代通訊系統中獲取精確功率測量的有效方法 @ jcjin的心情筆記

由於蜂巢式和無線技術的融合，通訊市場正經歷著巨大的成長。這將導致對更先進功率測量工具需求的成長，這些功率測量工具所應具備的功能遠超過傳統的峰值功率和平均功率的測量。值得注意的是，LTE和WiMAX測試系統具有如此高期望值是無庸置疑的。

在LTE和WiMAX測試系統中，訊號統計內容的有效擷取有利於避免由於元件無法控制高波峰因子訊號所引起的失真。由於對更高數據速率和更快訊號傳輸的需求日益成長，測量所面臨的挑戰包括更高頻寬、更快上升和下降時間的訊號的擷取，這兩項指標是今天的功率測量工具應具備的關鍵功能。本文介紹了通訊系統的功率測量簡史，對現代通訊系統進行精確功率測量的重要考慮因素，以及功率計的最新進展如何幫助我們高效完成功率測量任務。

蜂巢式和無線技術在通訊領域中的日漸融合使功率測量變得愈加複雜，尤其是對RF突發訊號和複雜調變訊號而言。過去，功率測量的要求非常簡單。對第1代的類比訊號來說，僅需測量平均功率。隨著2G通訊系統的出現，時分多址訊號單時隙的功率測量可透過測量週期訊號的平均功率值除以訊號的週期來獲得。

CDMA系統源於2G/3G技術，而LTE和WiMAX則刺激了正交頻分多址(OFDMA)系統的發展。越來越多的訊息通道被合併成一個訊息通道以獲得更高的峰均功率比或波峰因子，通訊格式也因此變得更為複雜了。人們現在對功率測量工具寄予了更高的期望，而不只限於傳統的平均功率測量了。現代功率測量工具需要能夠根據實際的任務擷取隨機峰值偏移、快變訊號的細節、峰均功率比和其他的訊號統計特徵。

視訊頻寬規格對峰值功率測量的影響

除了諸如失配、線性度和不確定度等規格外，視訊頻寬也是選擇功率測量工具時需重點考慮的。為瞭解視訊頻寬規格對功率測量的影響，假設有一個由同幅度、頻差為1MHz的兩個RF音調組成的訊號，其功率包絡由1MHz的正弦波疊加在平均功率上；它的平均功率是每個音調的功率之和，而峰值功率是平均功率的兩倍，因此這個正弦波是從零到兩倍平均功率之間擺動。由於訊號的峰均比是3dB，當使用二極體檢波器測量該訊號時，會產生一個與平均功率對應的直流成分和一個與1MHz正弦波對應的1MHz成分。

任何視訊頻寬的波動會直接影響到峰值功率的測量，而對平均功率的測量無任何影響。如果功率計的視訊頻寬在1MHz處具有3dB頻寬，則正弦波音調將衰減到所期望訊號幅度的一半。在這種情況下，儘管功率測量工具能相當精確地測量出平均功率，但是在峰值功率的測量中卻存有1.24dB的誤差(圖1)。

上升和下降時間測量：諸如EDGE、WiMAX和WLAN等RF突發型訊號來說，上升和下降時間測量是至關重要的。為了實現精確測量，功率測量工具的上升/下降時間規格至少應為訊號上升/下降時間的八分之一。

然而，僅僅只是測量平均功率的話，則功率測量工具的上升/下降時間只需與訊號的上升/下降時間接近即可。這可以透過在訊號達到其脈衝頂部延遲工具的閘控測量來獲得。

減少功率測量中的雜訊影響：功率測量工具的雜訊會影響測量結果的精確性，尤其是在低功率水準時。在平均功率測量中，可以透過多次平均來減少雜訊變量。然而，由於訊號的隨機峰值特性，並不能將此應用到峰值功率的測量。

在這種情況下，功率測量工具的頻寬需略大於訊號頻寬，因而限制進入數位訊號處理電路中的雜訊，同時可最大化動態範圍與減少不確定度。今天的功率測量工具一般可提供可調視訊頻寬以滿足不同的被測訊號。例如，P系列功率計允許WiMAX或WLAN訊號測量的頻寬調節到30MHz，也允許WCDMA訊號測量將頻寬調節到5MHz。

功率計和感測器的新進展

數位化技術的飛速發展以及功率測量工具的處理功率和儲存容量的增加，使今天的功率計和感測器增添了許多新的功能。過去，只有昂貴的頻譜分析儀擁有諸如互補累計失真函數(CCDF)等訊號統計分析功能。

CCDF曲線顯示無線訊號在特定功率水準上佔用的時間百分比。CCDF的曲線分析有助於研發工程師觀察不同調變格式的影響，並確保系統元件能經受住高峰值功率測試訊號。現代功率計一般具備CCDF測量功能，其相對頻譜分析儀的該功能而言具有更快的速度和可重複的特點。

現代功率計的另一個新特徵是能夠實現‘內部調零和校準’，在具有外部校準源進行校準時就免除了執行多次連接和斷開作業的需要。該新特徵開創了基地台發射器測量和天線輸出功率監控的新途徑。應用於後者的功率計和感測器可置於天線架的頂部，並可與天線終年接觸直至每年的校準期為止。功率計與LAN的連接還能使工程師坐在控制室就可以方便地進行遠端測量。此外，也可以透過更多的緊密型USB功率感測器/測量計來啟動功率測量，而無需使用功率計進行測量。由於使用USB供電，這些感測器/測量計能提供簡易的儀器安裝以及靈活並可攜的測量方式。

一些現代功率計都配具有應用軟體以增加功率計的訊號監控和分析能力。其他的能力包括針對歷史數據分析的數據記錄、在螢幕上查看多個訊息通道、多種顯示格式以及先進數學與統計功能(圖2)。

隨著數位調變訊號複雜性的快速成長，也增加了對功率測量工具的需求和期望。對功率計和感測器的合適選擇可確保功率測量的精確性和可重複性。不僅如此，現代功率計和感測器所具備的新特徵還有助於工程師更創新、更高效地解決目前通訊系統功率測量問題所帶來的挑戰。

圖1：峰值功率計的視訊頻寬不足會導致峰值功率測量結果不準確。