相位噪声、幅度和 TOI 测量误差
再版文章
相位噪声、幅度和 TOI 测量误差 (再版文章)
- 作者：Bob Stern
- 是德科技公司
- 原安捷伦电子测量事业部
- 美国加利福尼亚州圣罗莎
您是否需要依赖精确的相位噪声、幅度或三阶截获（TOI）测量？您是否曾意外发现以上和其他关键测量的精度并未达到预期要求，受到了仪器校准方式的影响？如果您提交仪器以执行校准并假设校准结果良好，精心设置的系统精度预算可能由于仪器运行超出技术指标范围而失效。糟糕的结果，确实如此！然而，电气工程课程极少介绍恰当校准应包括的内容，以及校准对日常测量精度的影响。本文将介绍关键测量精度与校准的直接关联。
尖端的相位噪声测量通常使用专用相位噪声测试仪。这是保证低噪声源的唯一可行方法，但该方法不仅耗时而且需要厚的技术技能。不过，当代频谱分析仪使用的本地振荡器通常可以满足低相位噪声需求，可以支持直接的信号源相位噪声测量。图 1 显示的是近期发布的频谱分析仪逐步改进的相位噪声性能。所有仪器在制造过程中都经过了全面的相位噪声测试。有观点认为“相位噪声性能属于设计的固有特征，无需在周期校准过程中接受检测。”当代仪器确实拥有稳定的原理方框图。并且，仪器合成的本地振荡器与 10 MHz 外部基准连接，因此无需检测频率精度。但是，相位噪声等其他性能特征可能在数年内保持稳定，但之后可能在无明显迹象或仪器运行警示的情况下降级（类似于仪器的“心脏问题”）。
表 1 是 Keysight E4440A 的相位噪声技术指标。图 2 显示的是 E4440A PSA 系列仪器在 100 Hz 频偏点的实际测得相位噪声。本例的测试系统为是德科技罗斯维尔服务中心使用的信号分析仪校准台。每个符号代表一台客户设备。测量结合了基准信号源和测量接收机。注意，测得相位噪声自 2015 年 1月起出现约 11 dB 的陡然激增：许多仪器的运行突然超出历史统计限值，或者系统使用的基准信号源出现问题。服务中心拥有多个类似的校准台，因此工程师使用不同的基准信号源在多个校准台对同一测试设备执行了多次测量。最终确定导致 11 dB 相位噪声增幅的原因在于校准台的基准信号源。
替换基准信号发生器后，测试设备的测得数据回落至历史测量限值范围。1 在相位噪声性能出现 11 dB 激增前，问题的信号发生器安装在机架中，没有移动或受到影响。本文发布之际，故障根源分析仍未得出结论。假设您的测试系统中包括与本例类似的基准信号发生器，并且测试系统用于最终生产测试或表征新产品设计以完成从研发向生产的过渡，11 dB 的裕量损失将导致怎样的影响？因此，仪器需要定期的性能测量以确保稳定，类似于血压和胆固醇常规检查。覆盖所有关键技术指标的精确定期校准十分重要，是确保关键测量精度符合系统误差分析预测的关键。所有校准实验室都遵守一定的实验室标准。
假设您需要保持全新 Keysight N9040A UXA 信号分析仪 -136 dBc/Hz（10kHz 频偏）的技术指标，性能测试必须使用特殊的基准振荡器。要确保精确测量高端仪器的当前性能，校准报告必须包括使用的仪器与测试结果。所有信誉良好的校准提供商都可以轻松满足上述报告要求。图 3 是 N9040A UXA 帮助文档关于校准设备要求的摘选。显然，高性能微波仪器必须通过对应的高性能实验室标准才能确保恰当校准。仪器必须满足校准任务要求，才能确保高性能技术指标的精度。校准无须自行完成，有问题请咨询校准提供商。
应用案例
三阶 IMD（TOI）测量TOI 性能是重要的放大器技术指标。测试涉及设置两个等幅度信号，然后经由合并器输入被测放大器（参见图 4）。信号电平取决于放大器的增益、最大输出电平和 TOI 性能。通常，放大器在指定输入电平时应输出规定的 TOI。使用两个输入信号，三阶失真捕获后将如图5 所示。
如果您已经执行 TOI 测量，毫无疑问您已经意识到隔离两个信号发生器以避免输出电平控制电路互调的重要性。然而，您是否了解信号分析仪也有可能随时间出现变化？信号分析仪 TOI 性能存在降级的可能。标题为“未校准仪器导致错误合格 / 不合格决定”的视频显示 2，功能正常的信号分析仪可能出现 TOI 性能相比技术指标降级 5 dB 的情况。但可以通过维修校正。因此，您需要确定 5 dB 或以上的裕量降低是否影响放大器 TOI 测试。如果确实有影响，请检查信号分析仪的校准测量报告。表 2 是一个 TOI 报告实例。如果校准提供商未提供测量报告或者报告中不包括TOI 测量，您将无法确定测量接收机当前的 TOI 性能。执行 TOI 信号分析仪测量需要两台微波信号发生器，如果校准证书的仪器列表中未包含两台微波信号发生器，则表示没有测量 TOI 性能。
调整至中间水平？
众多工程师认为提交仪器执行校准后，设备将调整为最佳性能。事实并非如此，原始设备制造商也无法做到。性能测试用于确定观测得到的当前性能。如果测量结果在技术指标限制范围，并认定为“合格”，设备将返还给客户（参见图 6）。是德科技的每次校准都会测量所有技术指标的实际性能。如果某项测量结果超出限制，我们将进行调整。有的工程师还记得，可调电阻（变阻器）于 15 到 20 年前退出市场。此后，仪器制造商选用数模转换器（DAC）。
结合用于性能测量的精确外部设备，我们可以实现自动调整。调整通常采用迭代方法，以达到最佳性能。微波信号发生器的功率电平精度调整最短需要 30分钟，大部分型号需要 2 到 4 个小时。包括是德科技在内的原始设备制造商不会公布调整流程的算法。如果设备需要调整，您需要将其送返原始设备制造商。如果测量发现设备超过技术指标限值范围，是德科技将报告测得实际性能，以便客户确定仪器对测量的影响。并且，如果仪器需要调整并重新运行性能测试，您将获得“装运”测量数据，以保证仪器能够正常使用。
专门校准以改善裕量
所有测量都包含误差，没有完美的测量，因此您需要制定关键测量的系统误差预算。校准同样如此。校准过程中的测量误差称为测量不确定度（MU）。测量不确定度可以视为以适合方式组合的所有误差的标准偏差。3 对于大多数仪器来说，如果测量值添加 ±2 MU的间隔，则结果与 95％ 有效区间统计类似。
请下载此文档以了解更多信息。