用於相符性和先期認證測試的EMI接收器和頻譜分析儀,採用數位中頻(IF)處理技術來分析訊號。數位中頻不僅可提高整體儀器的可靠性,還能改善振幅準確度、提高量測速率,並且讓網路業者不再依賴經驗來進行測試。這些優勢同時還可提高運作效率和降低成本。 面對今日瞬息萬變的商業環境和不斷加快的開發週期,工程師需要可提供更短測試時間和更高量測速率,同時還提供準確而可靠量測結果的EMC測試設備,以獲致更大的成就。

本應用說明將討論類比和數位中頻架構的差異,並解釋數位中頻如何增強相符性和先期認證量測程序。

類比中頻架構

您必須深入瞭解類比和數位IF架構之間的差異。圖1顯示一個具類比中頻之傳統超外差式接收器(superheterodyne receiver)的基本架構圖。RF區塊可接受指定儀器頻率範圍內的輸入訊號,並使用本地振盪器(LO)所產生的頻率以及降頻器(或混頻器),將這些輸入訊號降為中頻。輸入頻率範圍可達40GHz或更高,而中頻頻率可達數百MHz。將輸入訊號降頻為較低的單一頻率,有助於以簡易、低成本方式,開發出可將輸入訊號數位化並執行進一步分析的電路。

20161122 Keysight TA31P1 圖1:具類比中頻的傳統超外差式接收器架構

在類比架構中,IF區塊包含幾種不同類型的分析電路。解析頻寬(RBW)濾波器是一組可選擇的分析濾波器(頻率通常為10 Hz至1 MHz或更高),可用來觀察具有不同頻率解析度的待測訊號。窄RBW濾波器可用來解析緊密間隔的輸入訊號;而寬RBW濾波器則可用來快速觀察更寬的頻率範圍。所測得的濾波器頻寬都是3dB或6dB,而且可具備CISPR 16-1-1規定的特殊形狀。類比RBW濾波器通常是由石英晶體或集總元件所組成的。

中頻增益級是可切換的線性增益放大器,可用來調整訊號路徑增益,以便觀察各種訊號振幅。您可選擇額外的增益以便降低參考位準,進而將顯示幕中的低位準訊號拉高。類比IF增益區塊通常介於30dB至50dB之間,可選擇以10dB為單位步進。

對數放大器可改善訊號顯示,方便您觀察顯示幕中較高的訊號振幅。透過對數方式擴大低位準訊號的振幅,您可同時看到小訊號和大訊號。

類比中頻誤差

您可使用參考訊號,在已知頻率和振幅上校驗接收器和頻譜分析儀IF電路,因此參考訊號的品質會直接影響整個接收器的準確度。我們通常使用一個參考RBW和一個參考增益步階來校驗IF訊號,並且校驗所有其他與這些參考訊號相關的RBW和增益設定。

調整接收器設定以量測訊號時,不論是手動或是使用軟體,甚或使用自動調整範圍功能,您通常會使用不同於校驗時使用的IF設定。如果改變校驗設定的IF設定,將會產生振幅量測誤差。使用不同於校驗RBW的類比RBW會導致切換誤差,又稱為RBW切換不確定性。調整校驗靈敏度之接收器靈敏度,會導致中頻增益誤差,又稱為參考位準不確定性。

此外,在不同級別的對數顯示上量測訊號,類比對數放大器的不理想對數效能,會導致量測誤差,又稱為顯示比例傳真度誤差。如果在遠遠偏離指定參考位準的數曲線下方量測訊號,會增加振幅誤差。這些頻寬切換、位準切換和對數顯示誤差,都與溫度變化有連動關係,使得量測變得更複雜。

接收器藉由使用客製的校驗程式來量測參數改變後所產生的誤差數,以便一定程度地修正這些誤差。接著接收器可根據目前的儀器設定,在操作期間施加合適的偏移。這些修正雖可提高接收器效能,但只能有限度地改善訊號位準。

如果施加過多的IF增益將導致更多的誤差,並使得IF訊號超出接收器參考位準訊號,最後造成IF電路壓縮和失真。執行手動和電腦控制操作時,關鍵是務必在線性範圍使用類比IF,將訊號位準維持在或低於儀器的參考位準。

數位中頻架構

數位IF架構可減少類比中頻電路所產生的量測誤差。如圖2所示,最終混頻器和數位轉換器之間的所有類比RBW、步進增益,以及對數放大全都被去除,並改以數位方式部署所有RBW、線性和對數IF增益,以及和最後的檢測。

20161122 Keysight TA31P2 圖2:數位中頻架構

將訊號數位化之後,它就不會在中間頻率,而且會以數位資料數值呈現。「數位IF」一詞是指可取代傳統接收器和頻譜分析儀之類比IF處理的數位處理方法。

數位化RBW可同時改善切換準確度和濾波器效能。類比RBW需進行IF增益調整,以修正濾波器電路之間的振幅差異。這種修正技術會導致十分之幾分貝的RBW切換不確定性。數位化RBW的切換不確定性可小於0.05dB。執行相符性量測時,這點非常重要,因為這些量測需使用CISPR或MIL-STD頻寬,不同於校驗時使用的RBW。

數位化RBW還可改善濾波器效能並提供更嚴格的濾波形狀係數。RBW形狀係數有時以選擇性表示,通常定義為-60dB濾波器頻寬與-3dB濾波器頻寬的比值。類比濾波器的形狀係數約為12:1,而數位中頻濾波器則具有更嚴格的5:1形狀係數。此外,類比RBW濾波器具10%左右的整體頻寬準確度,而數位RBW濾波器則高達2-3%。更嚴格的形狀,有助於提昇解析過於靠近大訊號的低位準訊號。

數位中頻增益可提供非常準確的參考水準。類比IF增益步進會因設計和溫度的關係而出現十分之幾分貝的誤差;而數位IF增益步進則非常精確(0dB誤差),因為它們是以軟體乘數表示。

數位對數修正法可顯著減少類比對數放大器所產生的量測誤差。這個方法的準確度,決定著輸入位準的量測誤差數。舉例而言,輸入混頻器端低於27dBuV(-80dBm)的輸入訊號誤差,在採用數位IF架構的儀器中,可在5至50℃範圍內,有效降低為±0.15dB。相較之下,採用類比IF架構的儀器在20-30℃的溫度範圍內,其誤差可能大於±0.85dB。

圖3顯示數位IF架構與類比IF架構的準確度比較。我們透過調查接收器和頻譜分析儀規格指南來收集這些資料。

20161122 Keysight TA31P3 圖3:數位IF與類比IF架構之振幅不確定性比較

數位中頻的優點

使用數位IF架構改進效能後,EMC測試實驗室可享受許多優點。

改善儀器振幅準確度 數位IF架構可提供增強的準確度,如此可改善接收器和頻譜分析儀的振幅規格。您不僅可更準確地進行量測,同時還可提高各種儀器設定的準確度。如前所述,數位對數修正法可提高超低位準訊號的量測準確度。對於EMC量測環境,這點非常重要,執行相符性量測時會定期出現低訊號位準。

提升量測速率 EMC實驗室普遍採用一種量測技巧來減少類比IF振幅所產生的誤差,就是在執行最終準峰值或均值檢測器量測之前,一定先將使峰值訊號導入參考位準。如此可將中頻位準導入現有參考位準設定之上,藉以消除對數顯示誤差。這種量測技巧雖然有效,但頗費時間,因為它必須逐一處理每個訊號。自動化軟體可以減少花費的時間,但仍須逐一量測每個訊號,而整體節省的時間取決於所需量測的訊號總數。

數位化對數修正的出色準確度,可大幅減少在最終量測之前,將每個訊號調整為量測參考位準的需求。在測試具有大量放射訊號的裝置時,這個方法可以節省極為可觀的時間。

減少對操作者經驗的依賴 許多相符性測試都可自動執行,但最終的量測仍需透過手動方式來計算訊號振幅變化率(每CISPR)、進行微調以放大訊號,並調整量測接收器,以確保振幅準確度。這些作業全都需要經過專業訓練的操作人員。

對於經驗不足的操作人員而言,正確操作符合EMI標準的接收器,是極為艱?的任務。唯有訓練有素並具備一定技能的操作人員,才有能力調整接收器,以便用最高準確度來進行量測。相較之下,數位中頻技術讓缺乏經驗的操作人員也能輕鬆執行量測,以達成商業和軍事應用對訊號振幅的要求。

例如,使用類比IF技術進行量測時,缺乏經驗的操作人員很容易在無意中讓儀器過載,導致因儀器壓縮和失真而得到不正確的振幅值。數位中頻不需要步進IF增益,因此當訊號低於線性操作所容許的最大輸入位準,可減少儀器過載的機會。圖4顯示這個範例。圖4a顯示107 dBuV(0dBm)CW訊號,而圖4b則顯示參考訊號偏移了50dB的相同訊號。請注意,兩個畫面顯示的標記值幾乎完全相同。然而,在相同條件下,採用類比IF的接收器或頻譜分析儀出現嚴重失真,而且標記值截然不同。

圖4顯示數位中頻減少了儀器過載的機會。

20161122 Keysight TA31P4a 圖4a:接近參考位準的測試訊號。將標記值與圖4b相比較。相同的測試訊號,比參考位準高50dB 20161122 Keysight TA31P4b 圖4b:具有與圖4a幾乎完全相同的標記值

由於操作人員無需具備特定技能,因此即便新進員工也能快速上手並開始進行測試。如此還可減輕實驗室管理者對量測準確度的疑慮,並且大幅減少將操作人員訓練成更有經驗的實驗室成員的時間。

提高在嘈雜環境中辨識低位準放射訊號的能力 在開放式環境中執行相符性或先期認證放射量測時,您很難找出被大環境訊號所遮蔽的低位準放射訊號。這些環境訊號包括商業無線電和電視廣播、蜂巢式行動通訊,以及公共安全通訊。

數位IF解析頻寬可提供更緊密的形狀係數,讓您能夠解析並辨識靠近環境訊號的放射訊號。準確識別和量測這些訊號,可降低在遮蔽環境中進行最終量測時,因為隱藏訊號導致意外故障的機會。這種能力對於通常是在露天環境中進行的先期認證量測至關重要。

20161122 Keysight TA31P5 圖5:數位中頻RBW提供比類比RBW更大的選擇性,可在環境中存在大訊號時增強放射檢測

結語

全數位中頻架構可顯著改善測試速率、量測準確度,而且無需訓練操作人員。您可以用這些優勢來增進實驗室運作效率,進而降低運作成本,獲得更大的量測資產投資報酬率。