背景介紹

在當今發(fā)展的趨勢下，無線通信協(xié)議變得越來越復雜。具有多個輸入和輸出（MIMO）、高達320 MHz的帶寬以及高4096 QAM的調(diào)制方案。而EN 300 328和EN 301 893標準描述了無線電以及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準，適用于工作在2.4 GHz的寬帶傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸設備（例如藍牙、WIFI、ZIGBEE產(chǎn)品等），EN 300328對產(chǎn)品的規(guī)范，確保無線電設備相互之間或對人類健康不會造成干擾，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系列功率計能夠根據(jù)EN 300 328和EN 301 893標準進行測量。此外，該功率計能夠測量高達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)中日益增加的復雜性和可變性，同時根據(jù)320 MHz的指定標準和跨16個流（WiFi7）在4096個載波上同時保持高達4096 QAM的調(diào)制方案進行精確測量。

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

數(shù)據(jù)速率和帶寬

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

無線傳輸系統(tǒng)對功率計的需求

無線傳輸系統(tǒng)對功率計的要求是一系列的，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測試要求以及EN 300 328 和 EN 301 893標準的背景下，?些對功率計的需求事項包括：

● 頻率范圍和帶寬

確保功率計的設計適應從2 GHz到7.125 GHz的指定頻率范圍以及跨不同?線通信標準進行精確測量所需的不同調(diào)制帶寬（高達320 MHz）。

● 調(diào)制支持

設計功率計來處理復雜的調(diào)制方案，例如12位-4096 QAM，以準確捕獲和分析信號的特性。

● 采樣率和分辨率

選擇適當?shù)?a href="http://www.asorrir.com/tags/模數(shù)轉換器/" target="_blank">模數(shù)轉換器（ADC）和信號處理技術，以實現(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間，并計算每個突發(fā)的平均RMS值，同時考慮20 dBc側向閾值。

●同步

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

●總發(fā)射功率計算

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

●用戶界面和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

設計直觀的用戶界面，顯示測量結果、突發(fā)特性和任何相關指標，使??能夠有效地解釋和分析數(shù)據(jù)。

●校準和精度

結合校準例程或機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?shù)淖杩蛊ヅ浼夹g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。

●緊湊而堅固的硬件設計

設計功率計的硬件時要考慮緊湊性、穩(wěn)健性和散熱因素，以促進實際使用和延長使用壽命。

● 軟件集成

開發(fā)軟件接口或API，實現(xiàn)功率計與測試設置、數(shù)據(jù)分析工具和報告系統(tǒng)的無縫集成。

● 遵守標準

驗證功率計設計是否符合相關行業(yè)標準，例如EN 300 328和EN 301 893，確保測量結果準確?致。

功率計的設計

（1）設計原理

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

使用高速AD轉換器對該檢測器的輸出進行采樣。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標準計算各個突發(fā)的平均功率。DSP配備了?個?內(nèi)存塊，能夠存儲多達100,000個單獨突發(fā)的突發(fā)信息。

功率計可以通過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，可以使用鏈式布置來連接多個功率計。這種布置使用專用觸發(fā)端口，允許同時與多達16個功率計進行同步測量。

（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)。這種設計選擇使功率計具有非凡的穩(wěn)定性。此外，金屬外殼充當法拉第籠，有效隔離功率計的電子設備免受外部射頻干擾，同時充當散熱器。

（3）功率檢測器

EN 300 328標準規(guī)定每個樣本必須是RMS，為了實現(xiàn)這?點，有多種選擇：

● 熱功率計

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)過復雜調(diào)制）。然而，熱功率計的動態(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對峰值檢測器進行高速采樣，然后使用數(shù)字信號處理（DSP）技術來計算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。由于需要進行后處理，因此需要進行過采樣。在320 MHz帶寬下，采樣率?少應為640 MSamples（奈奎斯特定律），但要獲得準確的RMS響應，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。RMS檢測器將RF輸?信號轉換為與輸?信號的RMS值成比例的DC電壓。

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

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

功率計的測量方法

（1）單端口測量

EN 300 328標準描述了如何計算單端口和多端口（MIMO設備）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）的開始和停?時間。這種壓縮提供了足夠的數(shù)據(jù)來根據(jù)EN 300 328標準進行測量，同時實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。此外，功率計還能夠存儲100,000次突發(fā)。

（2）多端口測量

對于具有多個端?的設備的測量，EN 300 328標準規(guī)定，在任何給定時刻，必須計算并存儲功率總和。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算3個功率計的總功率：

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

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

（3）同步和用戶界面

總功率的計算不是由功率計本身執(zhí)行的。功率計本身存儲平均RMS值以及開始和停止時間。通過鏈式連接和觸發(fā)功率計，實現(xiàn)同步。

可以使用RadiMation軟件免費版本管理每個功率計的觸發(fā)、采樣率一半的時間內(nèi)的同步以從每個功率計檢索存儲的數(shù)據(jù)。利用該軟件，可以進行額外的計算，并對天線增益和波束成形增益等因素進行補償。此外，RadiMation根據(jù)EN 300 328和EN 301 893標準確定所需的參數(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)利用率時間。

功率計實際測試

分為以下幾個方面對德思特TS-RPR3008W與熱功率計進行了對比測試。驗證德思特TS-RPR3008W功率計的以下性能：

? 具有測量信號的帶寬和復雜性的能力

? 具有測量間歇性開啟和關閉信號的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

測試使用的設備有：能夠生成復雜WiFi信號的發(fā)生器來生成復雜的調(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。

（1）對802.11標準下的信號測量

對802.11信號進行測量，以展示德思特TS-RPR3008W通過RMS響應測量802.11WiFi信號的帶寬和復雜性的能力。

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。兩個功率計的增量值應非常接近。

如前所述，熱功率計的動態(tài)范圍是有限的。為了實現(xiàn)精確測量，峰值包絡功率（PEP）不得超過儀表的最?可測量功率，這?點至關重要。此外，總信號帶寬應顯著超過功率計的本底噪聲，以確保功率計測量實際信號而不是其自身的噪聲。為了實現(xiàn)精確測量，信號峰值始終落在功率計的測量范圍內(nèi)至關重要。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下進行，該測試級別用于確保測量峰值包絡功率（PEP）時結果的精度，同時減輕本底噪聲的影響。

以上的表格中總結了熱功率計和德思特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）以及功率計之間的不平衡。

這些測試表明TS-RPR3008W能夠準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響應的802.11信號復雜性的能力。

（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，因此功率計準確測量間歇性開啟和關閉信號的RMS功率至關重要。

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。

結論

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

當與RadiMation軟件（免費軟件）結合使用時，功率計可提供全面的參數(shù)分析，使其成為射頻功率領域的多功能且有價值的工具。

寬頻率范圍（10 MHz至8 GHz）、高測量速度、RMS響應檢測器和精密N型連接器等功能的結合凸顯了這些功率計的先進設計。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功率計的優(yōu)勢在于能夠準確測量復雜信號、表現(xiàn)出穩(wěn)定性并提供實用的解決方案來滿足現(xiàn)代通信技術的需求。