革新MIMO无线电测试，精准测量10 MHz-8 GHz复杂射频信号！-电子发烧友网

背景介绍

在当今发展的趋势下，无线通信协议变得越来越复杂。具有多个输入和输出（MIMO）、高达320 MHz的带宽以及高4096 QAM的调制方案。而EN 300 328和EN 301 893标准描述了无线电以及2.4 GHz和5 GHz宽带信号的频谱参数。

EN 300328是欧盟RED指令下的射频测试标准，适用于工作在2.4 GHz的宽带传输系统，数据传输设备（例如蓝牙、WIFI、ZIGBEE产品等），EN 300328对产品的规范，确保无线电设备相互之间或对人类健康不会造成干扰，并对无线接收部分的最低性能提出更明确的要求，以提高无线频谱利用率。

德思特的TS-RPR3008W系列功率计能够根据EN 300 328和EN 301 893标准进行测量。此外，该功率计能够测量高达8 GHz的频率，因此适用于5G，6G，WiFi 6甚⾄WiFi 7的7.125 GHz测量。旨在解决无线LAN系统中日益增加的复杂性和可变性，同时根据320 MHz的指定标准和跨16个流（WiFi7）在4096个载波上同时保持高达4096 QAM的调制方案进行精确测量。

本文将详细介绍新颖且独特的射频功率计概念：TS-RPR3008W系列功率计，能够测量10 MHz至8 GHz频率范围内的复杂射频信号。其功率范围为-50至+10 dBm，采用RMS响应检测器。无论通道带宽和波峰因数如何，功率计都能执行准确的测量。

数据速率和带宽

EN 300 328和EN 301 893标准涉及宽带传输系统。采用802.11标准的无线LAN系统必须遵守该标准。802.11协议变得越来越复杂，采用更高的带宽（高达320MHz）、更高的频率（高达7.125 GHz）、更复杂的调制（高达4096 QAM）和更密集的频谱（最多同时⽀持4096个载波）。下表概述了各种选项

无线传输系统对功率计的需求

无线传输系统对功率计的要求是一系列的，以确保最终产品的最佳功能、效率和性能。在前面讨论的功率计测试要求以及EN 300 328 和 EN 301 893标准的背景下，⼀些对功率计的需求事项包括：

● 频率范围和带宽

确保功率计的设计适应从2 GHz到7.125 GHz的指定频率范围以及跨不同⽆线通信标准进行精确测量所需的不同调制带宽（高达320 MHz）。

● 调制支持

设计功率计来处理复杂的调制方案，例如12位-4096 QAM，以准确捕获和分析信号的特性。

● 采样率和分辨率

选择适当的模数转换器（ADC）和信号处理技术，以实现1 MS/s RMS测量所需的最小采样率。

●突发检测和分析

实施算法和电路来检测信号内的突发，识别其开始和停止时间，并计算每个突发的平均RMS值，同时考虑20 dBc侧向阈值。

●同步

开发同步机制，以确保在测量来⾃不同流通道的信号时多个功率计的精确对准和协调，同时遵守指定的同步容差。

●总发射功率计算

结合电路或算法，通过总结每个突发的各个端口功率并考虑任何潜在任何相位或定时差异来准确计算总发射功率。

●用户界面和数据呈现

设计直观的用户界面，显示测量结果、突发特性和任何相关指标，使⽤⼾能够有效地解释和分析数据。

●校准和精度

结合校准例程或机制来长期保持测量精度，并考虑漂移、温度变化和组件⽼化等因素。

●信号完整性和阻抗匹配

通过采用适当的阻抗匹配技术并最大限度地减少可能影响测量精度的信号反射，确保正确的信号完整性。

●紧凑而坚固的硬件设计

设计功率计的硬件时要考虑紧凑性、稳健性和散热因素，以促进实际使用和延长使用寿命。

● 软件集成

开发软件接口或API，实现功率计与测试设置、数据分析工具和报告系统的无缝集成。

● 遵守标准

验证功率计设计是否符合相关行业标准，例如EN 300 328和EN 301 893，确保测量结果准确⼀致。

功率计的设计

（1）设计原理

德思特TS-RPR3008W功率计使用以下流程来实现功率测量。使用检测器将射频信号功率线性转换为RMS直流电压。无论是否应用复杂调制，RMS响应检测器都能确保为RF输⼊提供正确的DC表示。

使用高速AD 转换器对该检测器的输出进行采样。然后，样本由数字信号处理器（DSP）处理，根据EN 300 328和EN 301 893标准计算各个突发的平均功率。DSP配备了⼀个⼤内存块，能够存储多达100,000个单独突发的突发信息。

功率计可以通过USB口连接到PC，并可以以高数据速率将存储的样本传输到PC。为了同步多个功率计，可以使用链式布置来连接多个功率计。这种布置使用专用触发端口，允许同时与多达16个功率计进行同步测量。

（2）输入端口

对于射频输⼊端口，采⽤了精密N型连接器。此外，我们还特别注重确保连接器和探测器之间的牢固连接，保证在整个频率范围内的良好匹配，从而最大限度地减少不确定性。所有这些组件都安装在完全定制的金属外壳内。这种设计选择使功率计具有非凡的稳定性。此外，金属外壳充当法拉第笼，有效隔离功率计的电子设备免受外部射频干扰，同时充当散热器。

（3）功率检测器

EN 300 328标准规定每个样本必须是RMS，为了实现这⼀点，有多种选择：

● 热功率计

在此方法中，射频功率直接通过电阻器，并测量电阻器产生的温升以确定功率。产生的热量与总施加功率成正比（无论是否经过复杂调制）。然而，热功率计的动态范围有限并且本质上很慢。

● 带ADC采样的峰值检测器

此方法涉及使用ADC对峰值检测器进行高速采样，然后使用数字信号处理（DSP）技术来计算RMS功率。虽然峰值检测器具有较⼤的动态范围，但它本质上不是RMS。由于需要进行后处理，因此需要进行过采样。在320 MHz带宽下，采样率⾄少应为640 MSamples（奈奎斯特定律），但要获得准确的RMS响应，需要明显更高的过采样率。

●RMS检测器

该检测器在检测器的输出端提供RMS电压响应。RMS检测器将RF输⼊信号转换为与输⼊信号的RMS值成比例的DC电压。

因此，德思特TS-RPR3008W功率计选择使用RMS检测器。然后，RMS检测器由高精度高速AD转换器进行采样，能够以1或5 Ms/s的速度进行测量（这些速度都是标准中规定的速度）。此外，功率计本身甚至还提供33 MSample/s速度模式。

最终检测器设计的频率范围为10 MHz至8 GHz，动态范围为‒50 dBm至+10 dBm。这些规格增加了功率计针对各种应用的多功能性。凭借这⼀频率范围，以及极高的测量速度和RMS响应检测器，在多个应用的测试中起重要作用。

功率计的测量方法

（1）单端口测量

EN 300 328标准描述了如何计算单端口和多端口（MIMO设备）场景的突发RMS功率。

由于检测器在输入处提供代表RMS功率的电压，因此突发（burst）信号的RMS功率可计算如下：其中，有效样本（Pn）被视为落在20 dBc以内的值（距最高RMS值）。

为了压缩数据，并不是每个样本都被发送出去。DSP存储突发的平均值以及第⼀个和最后⼀个样本（20 dBc点）的开始和停⽌时间。这种压缩提供了足够的数据来根据EN 300 328标准进行测量，同时实现更快的数据传输。此外，功率计还能够存储100,000次突发。

（2）多端口测量

对于具有多个端⼝的设备的测量，EN 300 328标准规定，在任何给定时刻，必须计算并存储功率总和。以下示例说明了⼀个场景，其中3个端口各自具有不同的突发信息：

然后可以使用以下公式计算3个功率计的总功率：

该标准要求以与单个端口相同的方式计算多个端⼝突发的RMS功率。然而，功率计仅存储平均功率以及各个端⼝突发的开始和停止时间。当重新排列公式时，我们观察到以下情况：

这表明，对每个功率计的突发信号进行平均除以功率计的数量，相当于分别对每个功率计的样本进行求和，然后除以样本数量。针对每个功率计执行该过程，然后除以功率计的数量。

（3）同步和用户界面

总功率的计算不是由功率计本身执行的。功率计本身存储平均RMS值以及开始和停止时间。通过链式连接和触发功率计，实现同步。

可以使用RadiMation软件免费版本管理每个功率计的触发、采样率一半的时间内的同步以从每个功率计检索存储的数据。利用该软件，可以进行额外的计算，并对天线增益和波束成形增益等因素进行补偿。此外，RadiMation根据EN 300 328和EN 301 893标准确定所需的参数，例如EIRP（有效各向同性辐射功率）、RF输出功率、占空比、Tx序列、Tx间隙和观测中的介质利用率时间。

功率计实际测试

分为以下几个方面对德思特TS-RPR3008W与热功率计进行了对比测试。验证德思特TS-RPR3008W功率计的以下性能：

✓ 具有测量信号的带宽和复杂性的能力

✓ 具有测量间歇性开启和关闭信号的RMS功率的能力

✓ 测试存在加性高斯白噪声的信号的RMS功率的能力

测试使用的设备有：能够生成复杂WiFi信号的发生器来生成复杂的调制信号以及其它测试所需信号，德思特TS-RPR3008W，以及用来做对比测试的热功率计。

（1）对802.11标准下的信号测量

对802.11信号进行测量，以展示德思特TS-RPR3008W通过RMS响应测量802.11WiFi信号的带宽和复杂性的能力。

在2.4 GHz频率下，生成带宽为20、40、80、160和320 MHz的信号。最初，在没有调制的情况下确定两个功率计之间的功率偏差，作为基线。随后，产生调制信号，并检查功率增量。两个功率计的增量值应非常接近。

如前所述，热功率计的动态范围是有限的。为了实现精确测量，峰值包络功率（PEP）不得超过仪表的最⼤可测量功率，这⼀点至关重要。此外，总信号带宽应显着超过功率计的本底噪声，以确保功率计测量实际信号而不是其自身的噪声。为了实现精确测量，信号峰值始终落在功率计的测量范围内至关重要。此外，信号常常变得很弱；在这种情况下，信号必须保持可检测，从而保持在本底噪声之上。

测试在-20 dBm下进行，该测试级别用于确保测量峰值包络功率（PEP）时结果的精度，同时减轻本底噪声的影响。