为WiMAX或WLAN猝发脉冲功率测量选择恰当的功率计和传感

为WiMAX或WLAN猝发脉冲功率测量选择恰当的功率计和传感器

WiMAX或WLAN 猝发信号的平均功率测量是表征无线通信器件(例如芯片组、PC卡、放大器模块或手机)的一个基本参数。器件制造商在选择恰当的功率测量工具方面遇到越来越多的困难。他们需要对宽带WiMAX和WLAN信号进行快速而精确的功率测量，还要具备只针对发射的猝发脉冲进行测量的能力。

通常情况下，只有峰值功率计才能进行猝发脉冲平均功率测量(又称“时间选通平均功率测量”或简称“猝发功率”)，它可对信号执行快速采样以捕获其功率包络。用户可在猝发脉冲信号附近设置两个游标来定义“选通”，从而测量猝发脉冲信号的平均功率或峰值功率。这是精确测量任何猝发脉冲信号的峰值功率和平均功率的最常用方法。

随着采用先进数字化技术和超快速电子元器件的USB功率传感器的出现，用户可以更快速度和更低成本来进行精确的猝发脉冲平均功率测量，并且不会影响测量精度。使用时间选通功能，您可以定义选通的起点和长度(参考触发输入信号)，以便选择所测量的猝发脉冲信号的相关部分。

下面我们将首先阐明使用宽视频带宽和有限视频带宽峰值功率计进行猝发脉冲测量的工作原理，然后介绍 USB 平均功率传感器的工作过程，并考察所有技术的相关测量精度。只有了解了这些功率计和传感器的工作原理后，您才能保证选中恰当的功率计，获得精确可靠的测量结果。

峰值功率计的视频带宽小于被测信号的带宽对测量的影响

峰值功率计的视频带宽是峰值功率和平均功率测量的一个重要参数。为了确保峰值功率和平均功率测量的精确性，功率计和传感器的带宽一定要宽于信号带宽。

图1：输入功率由于非线性二极管特征而受到压缩

当二极管传感器检测到射频功率包络时，要对其进行非线性转换。图1中，红色波形代表实际功率包络(双音射频信号)，蓝色波形代表在二极管输出端检测到的信号，绿色曲线是二极管检波器的传递函数。我们可以看到，尽管每个电压点都可通过互补反函数反向转换来代表功率，但这对平均功率并不适用。上图中的调出功能可以说明这一点。稳定在平均电平是对带宽降低的传感器的一种限制，这将导致错误。为了保持精度，检波器的每个样本都要在计算平均值之前进行校正。如果带宽不足，那么实际电压和检测到的电压之间的关系完全取决于信号的电平和特征，所以无法计算平均值。

换句话说就是，视频带宽在进行线性校正之前对电压波形进行了‘预平均’，导致平均功率和峰值功率的整体功率测量结果偏低 (参见图 2(A))。

图 2：在以下条件下测量宽带信号猝发脉冲平均功率的准确度：（A） 功率计和传感器的视频带宽小于信号带宽；（B） 功率计和传感器的视频带宽大于信号带宽；（C） 平均功率传感器使用双通道二极管，完全工作在平方律区域

使用宽视频带宽峰值功率计进行猝发脉冲功率测量

相反，如果使用宽带宽功率计进行相同的测量，就不会出现视频带宽滤波器对功率样本进行‘预平均’的情况。尽管由于二极管在线性区域的非线性行为，电压波形的顶端部分会受到压缩，但经过滤波器后的电压波形中仍可保留峰值和谷值等信号细节。每个电压样本再进行线性校正，“解压缩”获得原始波形。因此，宽带宽峰值功率计能够进行精确的峰值功率测量和平均功率测量(参见图 2(B))。

使用 USB 平均功率传感器进行猝发脉冲功率测量

近年来随着数字化技术的进步，现在已经可以使用体积更小的功率传感器进行高度精确、可重复和快速的功率测量。独立式传感器无需使用功率计，即可执行功率至电压的转换、数据采集、温度校正、功率线性校正以及频率校正，并能完成所有的测量控制。新型 U2000 系列 USB 功率传感器采用双通道二极管结构，不仅能够执行真实的平均功率测量，还能够使用时间选通功能精确测量猝发脉冲平均功率——用户可在猝发脉冲信号附近设置一对选通，然后测量选通内的平均功率。尽管传感器的视频带宽只有几十kHz，但由于它的双通道二极管结构能够完全在平方律区域工作，它仍然能够提供精确的信号包络轮廓。

和峰值传感器不同的是，使用平均功率传感器，电压波形的顶端部分不会由于二极管的非线性而受到压缩。因此 U2000 系列能够将猝发脉冲功率按比例转化成电压波形，电压波形再通过传感器的 RC 滤波电路进行视频带宽校正。RC 滤波器具有几十kHz 的带宽，能够滤除构成猝发脉冲信号在时域中的峰值和谷值的高频分量。不过，平均功率将会保持不变，U2000 传感器仍然能够提供精确的信号包络轮廓，从而获得精确的猝发脉冲平均功率测量结果(参考图 2(C))。

图 3：使用两种不同的传感器（30 MHz 和 30 kHz 传感器）测量 WiMAX 20 MHz 信号的猝发脉冲平均功率。

下图是分别使用30MHz和30kHz视频带宽的传感器测得的WiMAX 20MHz信号的功率/时间曲线图示例。30MHz宽带宽传感器保留了OFDM信号的细节，包括详细的峰值和谷值，而30kHz带宽传感器则滤除了高频分量，仅保留了OFDM信号的包络。两种传感器测得的平均功率大致相同，而30kHz传感器测得的峰值功率则会大幅降低。

使用U2000系列USB功率传感器进行WiMAX和WLAN测量

图 4：使用 ESG 信号发生器和 U2001A USB 功率传感器的猝发脉冲平均功率测量设置

本部分阐释了使用U2000传感器测量WiMAX 802.11e 28MHz信号和WLAN 802.11g 20MHz 信号的测量设置(图4)和精度，并与使用30MHz P系列功率计和传感器以及300kHz E9325A功率传感器(图5)的测量设置和精度进行了对比。

图 5：宽带 WiMAX 和 WLAN 信号的猝发脉冲平均功率测量比较

P系列 N1911A/12A 功率计和N1921A/22A传感器凭借其平坦和宽广的30MHz视频带宽，可提供最精确的测量。E9325A 具有300kHz的视频带宽，可提供高达 -10dBm的良好精度，它的二极管平方律区域可达到-10dBm。在-10dBm以上时，由于它的视频带宽有限，以及二极管在高功率电平时的非线性，测量结果开始出现偏差。U2000系列尽管视频带宽有限，但由于具有双通道二极管结构和完全工作在平方律区域的特性，所以还是能够对宽带宽 WiMAX信号执行精确的测量。U2000传感器还具有一些其他优点，例如更快的测量速度和更经济的价格。表1对P系列功 率计和U2000系列USB功率传感器执行猝发脉冲功率测量的结果进行了比较。