峰值功率是如何测量的

RF测试笔记是业界一线工程师们通过理论和实践相结合的方式介绍射频微波测试技术的专栏，主要涵盖噪声系数、数字调制、矢网、频谱分析、脉冲信号等内容。

1. S参数依赖于系统阻抗

在射频、微波无线系统中准确地测量功率是最基本的要求，进行功率测量有多种测量设备和测试方法可以选择，如功率计测量、频谱测量等。在实际测试工作中，应确保每种方法的优点和局限性不会影响测试数据的准确性。

本文将探讨不同测试方法之间的差异，一是使用功率计，二是使用频谱仪；从连续波（CW）、multi-tone、调制信号（32QAM）和脉冲信号测量来比较。

信号源是用一款比较常见的MXG N5182B，用他出功率为-20dBm @6GHz的信号。平均功率计用的是U2000A USB功率计，峰值功率计用的是Keysight 8990，频谱仪使用的是N9938A手持频谱仪。

测量CW信号

CW信号不携带任何信息，因此平均功率和峰值功率相同，信号没有带宽。所以测量设备可以使用窄带滤波器来提高设备的底噪。

Figure1： （a）频谱仪（b）功率计（c）频谱仪的channel power测量选件

图1a是频谱仪的扫频，span=500kHz，fc=6G。信号的峰值功率（也是平均功率）为-20.08dBm。图1b是USB功率计测得的平均功率为-20.00dBm。图7c频谱仪的channel power测量选件测得的平均功率为-20.09dBm。频谱仪的channel power测量选件必须为其设置Occupied bandwidth，即设置被测信号的信道带宽。在图1c测量中，Occupied bandwidth设置为100kHz。但是连续波信号没有带宽，Occupied bandwidth可以设置为任何值。三个值相差在0.1dB以内，其中功率计具有最高的准确度或最低的测量不确定度。

测量多音信号

用信号源出一个5 tone，spacing=500kHz的多音信号，再分别连接到以上三种测试环境中，得到的结果如下。

Figure2： （a）频谱仪（b）功率计（c）频谱仪的channel power测量选件

如果多音信号的总功率为-20dBm（10μW），则每个音的功率是-26.98dBm（2μW）。功率计将测量所有五个音的总功率，如图2b测到的是-20.13dBm。图2c中如果Occupied bandwidth设置很宽，包含所有五个音（在这种情况下，Occupied bandwidth至少要达到2.5MHz），测量值为20.2dBm。如果Occupied bandwidth小于spacing将只测到一个音的功率，测量值为-27.1dBm，接近单音的理论值-26.98dBm。图2a中，频谱可单独测量每个tone的功率，理论上5个tone的功率应该相等，测量值为-27dBm（图1a应为-27dBm）。

如果在实际测试工作中需要只测量其中部分tone的功率，由于功率计没有频率选择性，因此只能使用频谱仪进行单音或特定Occupied bandwidth的测量，比如只需要测量基波功率的场景，或测试IM交调产物的测试场景。

测量一个数字调制信号（32QAM）

用N5182B出一个32QAM调制，symbol rate=5M/s的信号。功率计得到的平均功率为-20.00dBm（图3b），频谱仪的channel power测量选件得到的平均功率为-20.07dBm（图3c）。

Figure3： （a）频谱仪（b）功率计（c）频谱仪的channel power测量选件

只要信号的功率电平和频率范围在功率计的传感器的能力范围内，功率计就能够得到带宽未知的信号的总功率。频谱仪的channel power测量选件的occupied bandwidth必须设置足够宽才能准确测量，因此可以使用频谱仪来测到未知信号的带宽，然后再将Occupied bandwidth设置到channel power测量选件来测试总功率。

测量一个脉冲信号

脉冲信号的脉冲宽度（脉冲持续多长时间）与脉冲之间的时间（其周期）之比称为占空比（DF，占空因子）。在给定重复脉冲的情况下，此类波形的峰值功率是平均功率除以DF。

图4是脉冲信号的频谱测量和平均功率计测量示例，脉冲宽度为20μs，DF为20%。

Figure4： （a）频谱仪（b）功率计（c）频谱仪的channel power测量选件

图4a中的频谱仪显示了频率函数的典型“sin（x）/x”响应，频域边带是1MHz。功率计得到的是平均功率-27.01dBm。频谱仪的channel power测量选件得到的是平均功率为–26.8dBm（图4c）。

对于频谱仪channel power测量选件，Occupied bandwidth必须设置为3MHz及以上来抓大部分脉冲波形的边带。将Occupied bandwidth增加到3MHz以上不会改变测试结果。可以通过将power offset加7dB（10log（1/DF））来计算20%DF的此波形的峰值功率。

峰值功率是如何测量的

平均功率计的框图（见图5），峰值功率计与平均功率计的主要差别是峰值功率计的ADC具有更宽的带宽和更高的采样率，以抓到在脉冲和复杂调制波形中的快速时域跳变。

实际上，典型的峰值功率计会通过两条测量路径测量，分别测量平均功率和峰值功率。

Figure5： 简单的峰值功率计测量框图

由于二极管检波器通常是宽带的，因此脉冲波形的快速变化包络会体现在二极管的输出波形中，通过对二极管输出电平进行转换和补偿即可得到瞬时功率。

在滤波器之后，峰值功率计的ADC以高达1G/s的速率对信号进行采样（Keysight 8990等峰值功率计），如此高的采样率用于抓二极管输出电平的时域形状，可以从中得到峰值功率、脉冲宽度、周期、上升时间和下降时间等信号特征，如图6。

Figure6： 峰值功率计测量脉冲信号

总结：

1、功率计不能选择频率分量，只能测到进入功率计的总功率。

2、功率计的灵敏度不高，功率计能测到的最小功率基本在-50dBm~-70dBm（根据探头类型不同），在测量小信号时不确定度较大，测到的数据需要经过多次平均和平滑。

3、频谱仪不是专门测量功率的仪器，频谱仪与功率计相比，功率测量精度较差。但是进行杂散或相邻信道功率测量时，则选频谱仪。

原文标题：连续波、多音、调制、脉冲信号|功率计和频谱仪测量比较

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审核编辑：彭静