应对毫米波信号分析挑战

应对毫米波信号分析挑战

本文探讨了为解决当今和 未来毫米波应用所面临的 测试难题，我们需要考虑 哪些关键因素。

毫米波技术为无线通信领域带来翻天覆地的变化。新一代 5G、卫星和车载雷达通信使 用超大带宽，实现了更高的数据吞吐量和超精细的距离分辨率。毫米波技术是一个至关重要的推动因素，它为性能提升提供了充足的裕量，但同时也带来了路径损耗、设计裕量小、调制复杂、标准严格等挑战。

在毫米波频率下，路径损耗会比较大，这就使射频 (RF) 功率受到限制，成本也会增加。此外，使用空中接口 (OTA) 测试方法测量性能指标，也更难得出精确、可重复的结果。大带宽能够实现高数据吞吐量、高距离分辨率、高精度和低时延，但噪声也会增加。路径损耗和噪声过大会让测试变得更加复杂，测量不确定度随之增加。

毫米波测试挑战

无线技术为了实现更快的数据速率，需要使用更宽的信号带宽和更高阶的调制方案。毫米波的一大优势是带宽更大。但是，更大的带宽和更高阶的调制方案会给毫米波频率上的链路质量带来挑战。法兰连接中的任何歪斜都会产生多余的反射，致使信号的质量和功率双双下降。工程师在准确评测毫米波元器件和设备的时候需要特别注意。

过大的路径损耗

在毫米波频率下，如果仪器与待测件 (DUT) 之间的路径损耗过大，那么信噪比 (SNR) 会降低。信噪比越低，误差矢量幅度 (EVM)、邻道功率和杂散发射等信号分析测量就会面临更大的挑战。由于元器件紧凑且集成度高，没有足够的空间进行探测，因此需要进行辐射测试，也称为空中接口 (OTA) 测试，如图 1 所示。在这种测试场景中，信号电平会大幅下降，您需要控制并校准测试系统周围的辐射环境。

宽带噪声

毫米波频段可提供更大的可用带宽。但是，发射信号需要比信道的本底噪声强很多，才能更好地被接收机捕捉到。同样，增加分析带宽也会给信号分析仪带来更大噪声。噪声会导致测量中的 SNR 下降，给毫米波测量增加难度。

频率响应

测试系统的主要目标是表征待测件。系统必须将待测件的测量结果与所有其他测试部分的影响区分开来。在构建测试系统时，信号分析仪与待测件之间的元器件（例如混频器、滤波器和放大器）会产生频率响应。这些响应在不同的频率出现，并且包含幅度和相位误差。调制信号的幅度和相位误差会使得调制质量下降。测试信号的带宽越大、频率越高，频率响应就会越糟糕。图 2 显示了一个正交频分复用信号在频率响应较差（左）和频率响应较平坦（右）时的波形。

减少信号路径损耗

无论您是在评测发射机、诊断接收机故障还是分析空中接口信号，灵活的信号分析仪硬件和软件都能为您提供更佳的解决方案。输入信号可能功率很大，也可能像噪声一样功率很小，频率从低频率到太赫兹不等，可能是连续波，也可能是经过复杂宽带调制的波形。为了测量种类如此繁多的输入信号，信号分析仪在遇到较大功率时使用衰减器，在遇到较小功率时使用前置放大器。信号分析仪提供多个射频信号路径――例如默认路径、微波预选器旁路、低噪声路径和全旁路路径――从而降低噪声，提高灵敏度并减少信号路径损耗，获得更好的 SNR。

微波预选器旁路——分析宽带矢量信号

射频预选器的带宽限制在 45 至 70 MHz 之间，具体取决于在进行无镜像分析时使用的调谐频率。但是，该带宽也给射频分析带宽造成了限制。绕过预选器有助于进行宽带分析，并且在数字化仪的带宽上具有平坦的频谱响应，如图 4 所示。此外，它还能提高幅度精度，而不受预选器幅度漂移和通带纹波的影响。您可以采取绕过微波预选器的方式来测量 5G、卫星通信、802.11ax/be 和雷达信号等宽带信号。

当输入信号包含很强带外信号时，例如测试有本地振荡器 (LO) 泄 漏或杂 散的混频器时，这些信号会造成分析带宽中出现镜像和带内干扰。镜像可能会导致测量失败。在信号分析仪的输入端加上一个带通滤波器，可以避免产生这些多余的信号。

低噪声路径——改善调制分析

在信号功率较大的情况下测试发射机调制质量（例如 EVM 测量）时，您可以选择一条低噪声路径，绕过前置放大器路径上的有损开关和前置放大器，如图 5 所示。信号频率越高，放大器的增益、频率响应和插入损耗会变得越差。这个最优路径可以降低路径损耗，避免前置放大器和开关引起的频率响应和噪声。这个过程可以提高信号保真度和测量灵敏度，让高频下的宽带 EVM 测量得出最佳结果。

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