背景介紹

在當(dāng)今發(fā)展的趨勢下，無線通信協(xié)議變得越來越復(fù)雜。具有多個輸入和輸出（MIMO）、高達(dá)320 MHz的帶寬以及高4096 QAM的調(diào)制方案。而EN 300 328和EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)描述了無線電以及2.4 GHz和5 GHz寬帶信號的頻譜參數(shù)。

EN 300328是歐盟RED指令下的射頻測試標(biāo)準(zhǔn)，適用于工作在2.4 GHz的寬帶傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（例如藍(lán)牙、WIFI、ZIGBEE產(chǎn)品等），EN 300328對產(chǎn)品的規(guī)范，確保無線電設(shè)備相互之間或?qū)θ祟惤】挡粫斐筛蓴_，并對無線接收部分的最低性能提出更明確的要求，以提高無線頻譜利用率。

德思特的TS-RPR3008W系列功率計(jì)能夠根據(jù)EN 300 328和EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。此外，該功率計(jì)能夠測量高達(dá)8 GHz的頻率，因此適用于5G，6G，WiFi 6甚?WiFi 7的7.125 GHz測量。旨在解決無線LAN系統(tǒng)中日益增加的復(fù)雜性和可變性，同時(shí)根據(jù)320 MHz的指定標(biāo)準(zhǔn)和跨16個流（WiFi7）在4096個載波上同時(shí)保持高達(dá)4096 QAM的調(diào)制方案進(jìn)行精確測量。

本文將詳細(xì)介紹新穎且獨(dú)特的射頻功率計(jì)概念：TS-RPR3008W系列功率計(jì)，能夠測量10 MHz至8 GHz頻率范圍內(nèi)的復(fù)雜射頻信號。其功率范圍為-50至+10 dBm，采用RMS響應(yīng)檢測器。無論通道帶寬和波峰因數(shù)如何，功率計(jì)都能執(zhí)行準(zhǔn)確的測量。

數(shù)據(jù)速率和帶寬

EN 300 328和EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)涉及寬帶傳輸系統(tǒng)。采用802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線LAN系統(tǒng)必須遵守該標(biāo)準(zhǔn)。802.11協(xié)議變得越來越復(fù)雜，采用更高的帶寬（高達(dá)320MHz）、更高的頻率（高達(dá)7.125 GHz）、更復(fù)雜的調(diào)制（高達(dá)4096 QAM）和更密集的頻譜（最多同時(shí)?持4096個載波）。下表概述了各種選項(xiàng)

無線傳輸系統(tǒng)對功率計(jì)的需求

無線傳輸系統(tǒng)對功率計(jì)的要求是一系列的，以確保最終產(chǎn)品的最佳功能、效率和性能。在前面討論的功率計(jì)測試要求以及EN 300 328 和 EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)的背景下，?些對功率計(jì)的需求事項(xiàng)包括：

● 頻率范圍和帶寬

確保功率計(jì)的設(shè)計(jì)適應(yīng)從2 GHz到7.125 GHz的指定頻率范圍以及跨不同?線通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精確測量所需的不同調(diào)制帶寬（高達(dá)320 MHz）。

● 調(diào)制支持

設(shè)計(jì)功率計(jì)來處理復(fù)雜的調(diào)制方案，例如12位-4096 QAM，以準(zhǔn)確捕獲和分析信號的特性。

● 采樣率和分辨率

選擇適當(dāng)?shù)?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和信號處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)1 MS/s RMS測量所需的最小采樣率。

●突發(fā)檢測和分析

實(shí)施算法和電路來檢測信號內(nèi)的突發(fā)，識別其開始和停止時(shí)間，并計(jì)算每個突發(fā)的平均RMS值，同時(shí)考慮20 dBc側(cè)向閾值。

●同步

開發(fā)同步機(jī)制，以確保在測量來?不同流通道的信號時(shí)多個功率計(jì)的精確對準(zhǔn)和協(xié)調(diào)，同時(shí)遵守指定的同步容差。

●總發(fā)射功率計(jì)算

結(jié)合電路或算法，通過總結(jié)每個突發(fā)的各個端口功率并考慮任何潛在任何相位或定時(shí)差異來準(zhǔn)確計(jì)算總發(fā)射功率。

●用戶界面和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

設(shè)計(jì)直觀的用戶界面，顯示測量結(jié)果、突發(fā)特性和任何相關(guān)指標(biāo)，使??能夠有效地解釋和分析數(shù)據(jù)。

●校準(zhǔn)和精度

結(jié)合校準(zhǔn)例程或機(jī)制來長期保持測量精度，并考慮漂移、溫度變化和組件?化等因素。

●信號完整性和阻抗匹配

通過采用適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浼夹g(shù)并最大限度地減少可能影響測量精度的信號反射，確保正確的信號完整性。

●緊湊而堅(jiān)固的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)功率計(jì)的硬件時(shí)要考慮緊湊性、穩(wěn)健性和散熱因素，以促進(jìn)實(shí)際使用和延長使用壽命。

● 軟件集成

開發(fā)軟件接口或API，實(shí)現(xiàn)功率計(jì)與測試設(shè)置、數(shù)據(jù)分析工具和報(bào)告系統(tǒng)的無縫集成。

● 遵守標(biāo)準(zhǔn)

驗(yàn)證功率計(jì)設(shè)計(jì)是否符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如EN 300 328和EN 301 893，確保測量結(jié)果準(zhǔn)確?致。

功率計(jì)的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)原理

德思特TS-RPR3008W功率計(jì)使用以下流程來實(shí)現(xiàn)功率測量。使用檢測器將射頻信號功率線性轉(zhuǎn)換為RMS直流電壓。無論是否應(yīng)用復(fù)雜調(diào)制，RMS響應(yīng)檢測器都能確保為RF輸?提供正確的DC表示。

使用高速AD轉(zhuǎn)換器對該檢測器的輸出進(jìn)行采樣。然后，樣本由數(shù)字信號處理器（DSP）處理，根據(jù)EN 300 328和EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各個突發(fā)的平均功率。DSP配備了?個?內(nèi)存塊，能夠存儲多達(dá)100,000個單獨(dú)突發(fā)的突發(fā)信息。

功率計(jì)可以通過USB口連接到PC，并可以以高數(shù)據(jù)速率將存儲的樣本傳輸?shù)絇C。為了同步多個功率計(jì)，可以使用鏈?zhǔn)讲贾脕磉B接多個功率計(jì)。這種布置使用專用觸發(fā)端口，允許同時(shí)與多達(dá)16個功率計(jì)進(jìn)行同步測量。

（2）輸入端口

對于射頻輸?端口，采?了精密N型連接器。此外，我們還特別注重確保連接器和探測器之間的牢固連接，保證在整個頻率范圍內(nèi)的良好匹配，從而最大限度地減少不確定性。所有這些組件都安裝在完全定制的金屬外殼內(nèi)。這種設(shè)計(jì)選擇使功率計(jì)具有非凡的穩(wěn)定性。此外，金屬外殼充當(dāng)法拉第籠，有效隔離功率計(jì)的電子設(shè)備免受外部射頻干擾，同時(shí)充當(dāng)散熱器。

（3）功率檢測器

EN 300 328標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個樣本必須是RMS，為了實(shí)現(xiàn)這?點(diǎn)，有多種選擇：

● 熱功率計(jì)

在此方法中，射頻功率直接通過電阻器，并測量電阻器產(chǎn)生的溫升以確定功率。產(chǎn)生的熱量與總施加功率成正比（無論是否經(jīng)過復(fù)雜調(diào)制）。然而，熱功率計(jì)的動態(tài)范圍有限并且本質(zhì)上很慢。

● 帶ADC采樣的峰值檢測器

此方法涉及使用ADC對峰值檢測器進(jìn)行高速采樣，然后使用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)來計(jì)算RMS功率。雖然峰值檢測器具有較?的動態(tài)范圍，但它本質(zhì)上不是RMS。由于需要進(jìn)行后處理，因此需要進(jìn)行過采樣。在320 MHz帶寬下，采樣率?少應(yīng)為640 MSamples（奈奎斯特定律），但要獲得準(zhǔn)確的RMS響應(yīng)，需要明顯更高的過采樣率。

●RMS檢測器

該檢測器在檢測器的輸出端提供RMS電壓響應(yīng)。RMS檢測器將RF輸?信號轉(zhuǎn)換為與輸?信號的RMS值成比例的DC電壓。

因此，德思特TS-RPR3008W功率計(jì)選擇使用RMS檢測器。然后，RMS檢測器由高精度高速AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，能夠以1或5 Ms/s的速度進(jìn)行測量（這些速度都是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的速度）。此外，功率計(jì)本身甚至還提供33 MSample/s速度模式。

最終檢測器設(shè)計(jì)的頻率范圍為10 MHz至8 GHz，動態(tài)范圍為?50 dBm至+10 dBm。這些規(guī)格增加了功率計(jì)針對各種應(yīng)用的多功能性。憑借這?頻率范圍，以及極高的測量速度和RMS響應(yīng)檢測器，在多個應(yīng)用的測試中起重要作用。

功率計(jì)的測量方法

（1）單端口測量

EN 300 328標(biāo)準(zhǔn)描述了如何計(jì)算單端口和多端口（MIMO設(shè)備）場景的突發(fā)RMS功率。

由于檢測器在輸入處提供代表RMS功率的電壓，因此突發(fā)（burst）信號的RMS功率可計(jì)算如下：其中，有效樣本（Pn）被視為落在20 dBc以內(nèi)的值（距最高RMS值）。

為了壓縮數(shù)據(jù)，并不是每個樣本都被發(fā)送出去。DSP存儲突發(fā)的平均值以及第?個和最后?個樣本（20 dBc點(diǎn)）的開始和停?時(shí)間。這種壓縮提供了足夠的數(shù)據(jù)來根據(jù)EN 300 328標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。此外，功率計(jì)還能夠存儲100,000次突發(fā)。

（2）多端口測量

對于具有多個端?的設(shè)備的測量，EN 300 328標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在任何給定時(shí)刻，必須計(jì)算并存儲功率總和。以下示例說明了?個場景，其中3個端口各自具有不同的突發(fā)信息：

然后可以使用以下公式計(jì)算3個功率計(jì)的總功率：

該標(biāo)準(zhǔn)要求以與單個端口相同的方式計(jì)算多個端?突發(fā)的RMS功率。然而，功率計(jì)僅存儲平均功率以及各個端?突發(fā)的開始和停止時(shí)間。當(dāng)重新排列公式時(shí)，我們觀察到以下情況：

這表明，對每個功率計(jì)的突發(fā)信號進(jìn)行平均除以功率計(jì)的數(shù)量，相當(dāng)于分別對每個功率計(jì)的樣本進(jìn)行求和，然后除以樣本數(shù)量。針對每個功率計(jì)執(zhí)行該過程，然后除以功率計(jì)的數(shù)量。

（3）同步和用戶界面

總功率的計(jì)算不是由功率計(jì)本身執(zhí)行的。功率計(jì)本身存儲平均RMS值以及開始和停止時(shí)間。通過鏈?zhǔn)竭B接和觸發(fā)功率計(jì)，實(shí)現(xiàn)同步。

可以使用RadiMation軟件免費(fèi)版本管理每個功率計(jì)的觸發(fā)、采樣率一半的時(shí)間內(nèi)的同步以從每個功率計(jì)檢索存儲的數(shù)據(jù)。利用該軟件，可以進(jìn)行額外的計(jì)算，并對天線增益和波束成形增益等因素進(jìn)行補(bǔ)償。此外，RadiMation根據(jù)EN 300 328和EN 301 893標(biāo)準(zhǔn)確定所需的參數(shù)，例如EIRP（有效各向同性輻射功率）、RF輸出功率、占空比、Tx序列、Tx間隙和觀測中的介質(zhì)利用率時(shí)間。

功率計(jì)實(shí)際測試

分為以下幾個方面對德思特TS-RPR3008W與熱功率計(jì)進(jìn)行了對比測試。驗(yàn)證德思特TS-RPR3008W功率計(jì)的以下性能：

? 具有測量信號的帶寬和復(fù)雜性的能力

? 具有測量間歇性開啟和關(guān)閉信號的RMS功率的能力

? 測試存在加性高斯白噪聲的信號的RMS功率的能力

測試使用的設(shè)備有：能夠生成復(fù)雜WiFi信號的發(fā)生器來生成復(fù)雜的調(diào)制信號以及其它測試所需信號，德思特TS-RPR3008W，以及用來做對比測試的熱功率計(jì)。

（1）對802.11標(biāo)準(zhǔn)下的信號測量

對802.11信號進(jìn)行測量，以展示德思特TS-RPR3008W通過RMS響應(yīng)測量802.11WiFi信號的帶寬和復(fù)雜性的能力。

在2.4 GHz頻率下，生成帶寬為20、40、80、160和320 MHz的信號。最初，在沒有調(diào)制的情況下確定兩個功率計(jì)之間的功率偏差，作為基線。隨后，產(chǎn)生調(diào)制信號，并檢查功率增量。兩個功率計(jì)的增量值應(yīng)非常接近。

如前所述，熱功率計(jì)的動態(tài)范圍是有限的。為了實(shí)現(xiàn)精確測量，峰值包絡(luò)功率（PEP）不得超過儀表的最?可測量功率，這?點(diǎn)至關(guān)重要。此外，總信號帶寬應(yīng)顯著超過功率計(jì)的本底噪聲，以確保功率計(jì)測量實(shí)際信號而不是其自身的噪聲。為了實(shí)現(xiàn)精確測量，信號峰值始終落在功率計(jì)的測量范圍內(nèi)至關(guān)重要。此外，信號常常變得很弱；在這種情況下，信號必須保持可檢測，從而保持在本底噪聲之上。

測試在-20 dBm下進(jìn)行，該測試級別用于確保測量峰值包絡(luò)功率（PEP）時(shí)結(jié)果的精度，同時(shí)減輕本底噪聲的影響。

以上的表格中總結(jié)了熱功率計(jì)和德思特TS-RPR3008W在2.4 GHz下各種信號配置的比較。顯示的值包括連續(xù)波（CW）功率、調(diào)制功率、功率增量（差值）以及功率計(jì)之間的不平衡。

這些測試表明TS-RPR3008W能夠準(zhǔn)確測量不同帶寬的調(diào)制WiFi信號的功率，展示其處理具有RMS響應(yīng)的802.11信號復(fù)雜性的能力。

（2）對脈沖信號測試

由于通信信號通常具有較短的開啟周期，因此功率計(jì)準(zhǔn)確測量間歇性開啟和關(guān)閉信號的RMS功率至關(guān)重要。

信號發(fā)生器配置為脈沖調(diào)制，ON和OFF狀態(tài)的脈沖寬度均為250 μs，以及單獨(dú)配置ON和OFF狀態(tài)的脈沖寬度均為25 μs，從而產(chǎn)生50%占空比循環(huán)。

（3）高斯白噪聲（AWGN）

GNSS模擬器是GNSS高精測試的關(guān)鍵產(chǎn)品，是基

除了WiFi信號和脈沖調(diào)制信號之外，還使用10、20和100 MHz的帶寬在存在加性高斯白噪聲（AWGN）的情況下觀察到RMS功率。

結(jié)論

總之，TS-RPR3008W功率計(jì)在測量復(fù)雜調(diào)制信號方面表現(xiàn)出了卓越的能力。其準(zhǔn)確性經(jīng)過設(shè)計(jì)、嚴(yán)格測試以及與熱功率計(jì)的比較測試得到了驗(yàn)證。在各種信號帶寬和復(fù)雜的調(diào)制信號中證明了其準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)通過有效解決信號調(diào)制和間歇性開/關(guān)周期帶來的挑戰(zhàn)，這些功率計(jì)可為各種應(yīng)用提供精確的測量。

當(dāng)與RadiMation軟件（免費(fèi)軟件）結(jié)合使用時(shí)，功率計(jì)可提供全面的參數(shù)分析，使其成為射頻功率領(lǐng)域的多功能且有價(jià)值的工具。

寬頻率范圍（10 MHz至8 GHz）、高測量速度、RMS響應(yīng)檢測器和精密N型連接器等功能的結(jié)合凸顯了這些功率計(jì)的先進(jìn)設(shè)計(jì)。定制的金屬外殼不僅保證了耐?性，還提供了有效的屏蔽和散熱。

總之，TS-RPR3008W功率計(jì)的優(yōu)勢在于能夠準(zhǔn)確測量復(fù)雜信號、表現(xiàn)出穩(wěn)定性并提供實(shí)用的解決方案來滿足現(xiàn)代通信技術(shù)的需求。