為WiMAX或WLAN猝發脈沖功率測量選擇恰當的功率計和傳感器

WiMAX或WLAN 猝發信號的平均功率測量是表征無線通信器件(例如芯片組、PC卡、放大器模塊或手機)的一個基本參數。器件制造商在選擇恰當的功率測量工具方面遇到越來越多的困難。他們需要對寬帶WiMAX和WLAN信號進行快速而精確的功率測量，還要具備只針對發射的猝發脈沖進行測量的能力。

通常情況下，只有峰值功率計才能進行猝發脈沖平均功率測量(又稱“時間選通平均功率測量”或簡稱“猝發功率”)，它可對信號執行快速采樣以捕獲其功率包絡。用戶可在猝發脈沖信號附近設置兩個游標來定義“選通”，從而測量猝發脈沖信號的平均功率或峰值功率。這是精確測量任何猝發脈沖信號的峰值功率和平均功率的最常用方法。

隨著采用先進數字化技術和超快速電子元器件的USB功率傳感器的出現，用戶可以更快速度和更低成本來進行精確的猝發脈沖平均功率測量，并且不會影響測量精度。使用時間選通功能，您可以定義選通的起點和長度(參考觸發輸入信號)，以便選擇所測量的猝發脈沖信號的相關部分。

下面我們將首先闡明使用寬視頻帶寬和有限視頻帶寬峰值功率計進行猝發脈沖測量的工作原理，然后介紹 USB 平均功率傳感器的工作過程，并考察所有技術的相關測量精度。只有了解了這些功率計和傳感器的工作原理后，您才能保證選中恰當的功率計，獲得精確可靠的測量結果。

峰值功率計的視頻帶寬小于被測信號的帶寬對測量的影響

峰值功率計的視頻帶寬是峰值功率和平均功率測量的一個重要參數。為了確保峰值功率和平均功率測量的精確性，功率計和傳感器的帶寬一定要寬于信號帶寬。

圖1：輸入功率由于非線性二極管特征而受到壓縮

當二極管傳感器檢測到射頻功率包絡時，要對其進行非線性轉換。圖1中，紅色波形代表實際功率包絡(雙音射頻信號)，藍色波形代表在二極管輸出端檢測到的信號，綠色曲線是二極管檢波器的傳遞函數。我們可以看到，盡管每個電壓點都可通過互補反函數反向轉換來代表功率，但這對平均功率并不適用。上圖中的調出功能可以說明這一點。穩定在平均電平是對帶寬降低的傳感器的一種限制，這將導致錯誤。為了保持精度，檢波器的每個樣本都要在計算平均值之前進行校正。如果帶寬不足，那么實際電壓和檢測到的電壓之間的關系完全取決于信號的電平和特征，所以無法計算平均值。

換句話說就是，視頻帶寬在進行線性校正之前對電壓波形進行了‘預平均’，導致平均功率和峰值功率的整體功率測量結果偏低 (參見圖 2(A))。

圖 2：在以下條件下測量寬帶信號猝發脈沖平均功率的準確度：（A） 功率計和傳感器的視頻帶寬小于信號帶寬；（B） 功率計和傳感器的視頻帶寬大于信號帶寬；（C） 平均功率傳感器使用雙通道二極管，完全工作在平方律區域

使用寬視頻帶寬峰值功率計進行猝發脈沖功率測量

相反，如果使用寬帶寬功率計進行相同的測量，就不會出現視頻帶寬濾波器對功率樣本進行‘預平均’的情況。盡管由于二極管在線性區域的非線性行為，電壓波形的頂端部分會受到壓縮，但經過濾波器后的電壓波形中仍可保留峰值和谷值等信號細節。每個電壓樣本再進行線性校正，“解壓縮”獲得原始波形。因此，寬帶寬峰值功率計能夠進行精確的峰值功率測量和平均功率測量(參見圖 2(B))。

使用 USB 平均功率傳感器進行猝發脈沖功率測量

近年來隨著數字化技術的進步，現在已經可以使用體積更小的功率傳感器進行高度精確、可重復和快速的功率測量。獨立式傳感器無需使用功率計，即可執行功率至電壓的轉換、數據采集、溫度校正、功率線性校正以及頻率校正，并能完成所有的測量控制。新型 U2000 系列 USB 功率傳感器采用雙通道二極管結構，不僅能夠執行真實的平均功率測量，還能夠使用時間選通功能精確測量猝發脈沖平均功率——用戶可在猝發脈沖信號附近設置一對選通，然后測量選通內的平均功率。盡管傳感器的視頻帶寬只有幾十kHz，但由于它的雙通道二極管結構能夠完全在平方律區域工作，它仍然能夠提供精確的信號包絡輪廓。

和峰值傳感器不同的是，使用平均功率傳感器，電壓波形的頂端部分不會由于二極管的非線性而受到壓縮。因此 U2000 系列能夠將猝發脈沖功率按比例轉化成電壓波形，電壓波形再通過傳感器的 RC 濾波電路進行視頻帶寬校正。RC 濾波器具有幾十kHz 的帶寬，能夠濾除構成猝發脈沖信號在時域中的峰值和谷值的高頻分量。不過，平均功率將會保持不變，U2000 傳感器仍然能夠提供精確的信號包絡輪廓，從而獲得精確的猝發脈沖平均功率測量結果(參考圖 2(C))。

圖 3：使用兩種不同的傳感器（30 MHz 和 30 kHz 傳感器）測量 WiMAX 20 MHz 信號的猝發脈沖平均功率。

下圖是分別使用30MHz和30kHz視頻帶寬的傳感器測得的WiMAX 20MHz信號的功率/時間曲線圖示例。30MHz寬帶寬傳感器保留了OFDM信號的細節，包括詳細的峰值和谷值，而30kHz帶寬傳感器則濾除了高頻分量，僅保留了OFDM信號的包絡。兩種傳感器測得的平均功率大致相同，而30kHz傳感器測得的峰值功率則會大幅降低。

使用U2000系列USB功率傳感器進行WiMAX和WLAN測量

圖 4：使用 ESG 信號發生器和 U2001A USB 功率傳感器的猝發脈沖平均功率測量設置

本部分闡釋了使用U2000傳感器測量WiMAX 802.11e 28MHz信號和WLAN 802.11g 20MHz 信號的測量設置(圖4)和精度，并與使用30MHz P系列功率計和傳感器以及300kHz E9325A功率傳感器(圖5)的測量設置和精度進行了對比。

圖 5：寬帶 WiMAX 和 WLAN 信號的猝發脈沖平均功率測量比較

P系列 N1911A/12A 功率計和N1921A/22A傳感器憑借其平坦和寬廣的30MHz視頻帶寬，可提供最精確的測量。E9325A 具有300kHz的視頻帶寬，可提供高達 -10dBm的良好精度，它的二極管平方律區域可達到-10dBm。在-10dBm以上時，由于它的視頻帶寬有限，以及二極管在高功率電平時的非線性，測量結果開始出現偏差。U2000系列盡管視頻帶寬有限，但由于具有雙通道二極管結構和完全工作在平方律區域的特性，所以還是能夠對寬帶寬 WiMAX信號執行精確的測量。U2000傳感器還具有一些其他優點，例如更快的測量速度和更經濟的價格。表1對P系列功 率計和U2000系列USB功率傳感器執行猝發脈沖功率測量的結果進行了比較。