射频发射器是现代通信的重要组成部分。射频发射器由核心射频组件设计和组装而成，具有多种不同的形式和应用。我们经常想到无线通信中的射频发射器，但这个概念同样适用于有线应用，如有线电视。蜂窝电话、雷达、军事通信、航空电子设备、无线局域网、调制解调器和信号发生器只是采用一个或多个射频发射器的系统的几个例子。
操作参数、成本和设计考虑因素会影响射频发射器的性能，进而影响射频信号质量。因此，确保射频发射器符合规范对于高质量的射频通信至关重要。在 RF 发射器的各种实现中，有一些标准测试对于确保正常运行至关重要。本文探讨了在射频发射器上经常执行的五种基本测量。
最常见的射频发射器测量是射频功率。在执行任何其他测试之前，工程师想知道，“我的 DUT 输出功率吗？是否在规定参数范围内输出功率？” 测试射频功率可以回答这些问题，并且是系统健康状况的第一个指标。
图 1. 通用 RF 发射器的框图显示了通过信号处理
调节的基带信息，然后调制并转换为中频，最后转换为 RF 进行传输。
射频功率测量有多种形式，具体取决于射频发射器的设计和应用。RF 输出可以是简单的连续波 (CW) 信号、脉冲、模拟调制信号或复杂的数字调制传输，例如 IQ 或正交频分复用 (OFDM) 波形。在 RF 功率测量类型中，CW 音的稳态 RF 功率可能是最简单的。峰值功率，例如射频脉冲或 IQ 波形的过冲，是一段时间内的最大值。功率测量可以在一个时间段内平均，例如在一系列 RF 脉冲上，产生平均功率。射频功率可以在一个频带上集成，就像许多移动通信信号的情况一样。
射频功率计是一种准确且经济高效的射频功率测量仪器。由于它是标量仪器，无法测量相位，因此应注意尽量减少阻抗失配，其反射会与被测信号同相和异相，从而导致更大的幅度不确定性。功率计是宽带而不是频率选择性的，因此任何不需要的信号都会被平均到所需的测量中。大多数功率计的动态范围是 50 到 70 dB。高端功率计能够进行专门的测量，例如跨频带的积分功率和触发脉冲射频功率。由于这些原因，如果射频环境得到很好的控制，功率计是一个不错的选择。
另一种常用于测量射频功率的仪器是频谱分析仪。使用这些更复杂的射频仪器，工程师可以测量整个频率的各个频谱分量。绝对功率测量精度并不出色，通常为+ 0.5 至+ 2.0 dB。然而，相对功率精度（或幅度线性）非常好。因此，例如，在信号发生器的已知功率电平下以给定频率进行校准，会导致校正后的功率测量结果在大于 100 dB 的动态范围内准确无误。
高性能射频仪器，包括矢量信号分析仪和矢量网络分析仪，可以测量幅度和相位，提供更高的纠错和测量精度的潜力。除了前面提到的 RF 功率测量之外，还可以对脉冲和其他复杂的 RF 波形进行专业测量。这包括脉冲分析，它测量 RF 脉冲包络上的功率，以及 RF 脉冲的平均和峰值功率。复杂的 IQ 波形以更多类似噪声的方式测量，例如峰均比和互补累积分布函数 (CCDF)。
图 2. 使用矢量信号分析仪对单个 CW 信号、跨频带集成的宽带信号和脉冲包络信号进行射频功率测量
图 3. ACP 测试显示了占用信道和四个未占用相邻信道的指定功率和频率限制。
为了提高频谱效率并允许多个用户使用给定的频谱，RF 发射机使用各种调制技术来编码和发送信息。现代通信被分配了特定数量的频谱，通常称为“信道”。信道通常由监管机构定义，例如美国的联邦通信委员会 (FCC)。用户通常关心关于他们分配的频谱的两个测量。一种测量方法是指定信道上的积分功率，通常称为占用带宽 (OBW)、带内功率或信道功率。在此，从指定的开始频率到指定的停止频率对整个通道的功率进行积分。
除了测量信道中的功率外，还需要确保传输不会泄漏到分配给其他用户的信道中，尤其是分配给信道两侧的信道。除了技术缺陷外，这还可能导致监管机构的高额罚款。典型的测试方法是用测试信号填充指定（占用）频带，并测量与占用信道相邻的信道中的积分功率与频率的关系。该测试有多种名称，但通常称为相邻信道功率 (ACP) 测量。确切的频率、综合功率规格和测试方法由管理传输的标准规定。
使用完美的射频发射器，唯一传输的信号就是感兴趣的信号。然而，不需要的信号是现实世界发射机设计权衡的结果。成本、性能和其他要求会影响最终产品。这些不需要的信号分为三大类：谐波、互调和杂散（杂散）。
主载波信号整数倍的信号被认为是谐波相关的。这些信号的主要来源是发射器中使用的放大器。这些信号的幅度可能足够低，因此它们不被认为是重要的。或者，它们的频率可能足够远，可以通过过滤来减少它们。谐波很容易检测，因为它们的频率是可预测的。例如，可以在 2 GHz、3 GHz 等频率找到 1 GHz 信号的谐波含量。
互调产物是由发射器组件中的非线性相互作用产生的信号。混频器是具有非线性行为的电路组件的一个例子。混频器输出两个输入信号频率的和和差。在射频发射器中，输出被过滤以在称为上变频的过程中隔离更高频率的总和。这样，通过一个或多个上变频级，可以将低频基带信息转换为最终的射频频率进行传输。不幸的是，混频器还提供大量其他信号，包括输入信号及其谐波的组合，以及输入信号到输出的泄漏。互调产物的频率和幅度随着输入信号的变化而变化。经过仔细分析，
术语杂散或杂散通常适用于任何不需要的信号。在本文的上下文中，它指的是上面未讨论的任何不需要的信号。来自泄漏和电磁干扰等来源的任何频率和功率级别的杂散都可能发生。杂散信号的不可预测性使得检测和去除它们更具挑战性。经验和分析方法以及良好的设计实践是将其影响最小化的最佳工具。
频谱或矢量信号分析仪具有出色的线性度和相对功率精度，是识别无用信号的频率和相对功率的好工具。另一方面，功率计通常不被使用，因为它们是具有有限动态范围的宽带。在 RF 发射器中，不需要的信号代表浪费的 RF 功率，这些功率不会进入所需的传输。这会导致各种后果，包括效率降低、过热、电池寿命缩短和测试良率降低。最好的行动计划是在设计阶段进行适当的分析，以识别和减轻来自发射机的无用信号。
图 4. 矢量信号分析仪显示屏显示了所需的 RF 输出信号，用黄色标记标识，以及其他谐波、互调和杂散内容。
也许射频发射器最具竞争力的规格之一是相位噪声。射频发射器和接收器通常由几个频率转换级组成。回到图 1，这样做是为了将信号从其原始基带频率上变频到最终的 RF 传输频率。这通常是使用一系列混频器来实现的，这些混频器将输入频率与本地振荡器 (LO) 频率相加。
图 5 使用矢量信号分析仪测量的相位噪声图在横轴上显示了与载波的频率偏移，在纵轴上显示了相对幅度。红色图代表原始数据，白色轨迹是平均值。请注意 1.0 到 10 MHz 偏移之间的低电平杂散信号（红色）。
LO 的频率稳定性在高质量 RF 通信和传输系统中至关重要。任何短期频率不稳定都会导致性能下降。这种短期不稳定性称为相位噪声。时域中的相关术语是抖动。理想情况下，我们希望相位噪声为零，但在实际系统中，情况并非如此。相位噪声是 LO 锁相环和振荡器电路中调谐速度和相位噪声之间常见设计权衡的产物。
通常假设相位噪声相对于载波是对称的。即，假设相位噪声的形状在载波的上侧与在载波的下侧相同。按照惯例，相位噪声绘制在纵轴上的载波上，横轴表示偏离载波的功率谱密度 (PSD)，单位为 dBc/Hertz。此图上的值表示为在与载波的给定频率偏移处低于载波的幅度值，例如在 10 kHz 偏移处为 -85 dBc/Hz。相位噪声曲线的形状还提供了有关电路的信息，例如环路带宽、闪烁噪声和本底噪声。
图 6. 三种相位噪声测量技术包括直接法（上）、延迟线法（中）和互相关法（下）。
测量相位噪声的直接方法是直接法。使用这种方法，将 相位噪声比被测设备 (DUT) 好得多的频谱分析仪等测试仪器直接连接到 DUT，并使用测试程序或内部特性绘制相位噪声。对于更高性能的相位噪声测量，将 DUT 与一个或多个高度稳定的低相位噪声源进行比较。两个例子是延迟线方法和互相关方法。平均用于降低测量噪声。
RF 发射器通过调制对一个或多个 CW 载波上的信息进行编码。评估调制信号的质量可以深入了解从基带到射频输出的整个发射器链的健康状况。一些测试特定于给定的调制方案，但其他测试被广泛使用。例如，对于 AM 和 FM 模拟调制，通常测量调制指数和深度。
对于数字 IQ 波形，误差矢量幅度 (EVM)，也称为相对星座误差 (RCE)，取决于所采用的标准，描述了调制质量。在发射器内部符号时钟的每个周期，波形的相位和幅度被设置和发射。为了测量信号的相位和幅度精度，使用具有适当 IQ 测量特性的矢量信号分析仪。在符号时钟的每个周期，测量传输波形的相位和幅度值，转换为 IQ 分量，并与 I 和 Q 分量的预期（理想）值进行比较。这些由适当标准定义的理想值绘制在称为星座图的 IQ 图上。波形的实际值与预期值之间的差异表示为误差项（以百分比表示），即 EVM。为了包含多个 IQ 状态，它通常是星座图上数百个 EVM 测量的运行平均值。
图 7. 64 QAM 信号的 IQ 图，下面计算 EVM 测量值，旁边是单个星座点的放大图，显示
了理想的 IQ 状态（蓝色）、测量的 IQ 状态（黄色）和表示差异的误差向量（红色）作为 EVM。
许多测试可用于分析射频发射器。本白皮书中涵盖的五项测试经常用于各种 RF 发射机和应用。确保射频发射器的正确性能可以带来更高的精度、更少的不确定性、更高的效率和更低的成本。射频发射器的评估需要一种包含适当数量的质量测试的有条理的方法。应小心使用所有 RF 组件、设备和连接。使用此处的五个测试作为测试计划的基础可以提高性能和可靠性，并更好地了解 RF 发射机的设计和操作。
——史蒂夫·坦尼
Steve Tenney 是 National Instruments 的 RF 市场开发经理。他在高频 RF 设计、测试和测量方面拥有超过 31 年的经验。他拥有田纳西理工大学的理学学士学位和南卫理公会大学的理学硕士学位。
