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基于频谱分析仪的平均功率测量讨论分析_能源科技

作者:Aileen 发布时间:2019-11-30 16:25:43 点击数:184小狐狸app

平均是减小测量系统固有不确定度的一个最常用的方法。进行多次测量,对其结果求平均,可以减小测量随机性的影响。如今大部分测量仪器都具有平均功能,仪器通常不是直接输出含有噪声的结果,而是测量上百次,计算出平均值,把平均值作为结果输出。但是下文会描述:频谱分析仪中的功率平均有时会导致不正确的结果。

本文的试验会引用两家不同厂商的频谱分析仪的功率测量结果。但是本文的结论对任何使用“后处理平均方法”的频谱分析仪都适用。

第一个错误观点:对均方根功率求平均,可以得出跨度为零的轨迹(或其一部分)的平均功率。为了更好的驳斥这个观点,有必要先了解一下平均的数学定义。如公式1所示:MAVE是某个试验N次测量的平均值,,其中Mi是每一次测量的结果。

在这个例子中,仪器A和仪器B的结果,可接受的差异在一定范围之内(比如±1dB),所有的测试都是在频率跨度为零ZS(zero span)的情况下测试的,这时频谱分析仪会在一个固定的频点,测量这个频点的功率随时间变化的关系。这里并不是刻意选择ZS模式的,其实平均问题在传统的频域扫描测试中也存在。

小狐狸app在两个例子中,都采用ZS模式测量零信道功率比ACPR(adjacent-channel-power-raTIo)。对于现代采用数字中频滤波器的频谱分析仪而言,这种测量功能是必备的,可以在偏离载波中心不同频偏的频率点多次测量功率,而不需要重新调谐频谱分析仪的中心频率。

图1显示的是ZS模式下,一个GSM时隙脉冲信号。其中蓝色的曲线是脉冲的功率包络。这里测量的是“射频输出调制谱”,也就是所谓的ACPR测量。

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从这条曲线可以得到很多结果,如最大峰值功率、最小功率和平均功率,寻找最大/最小功率在概念上非常直观,仪器直接从轨迹中搜索出最大/最小点即可。

计算平均功率最简单的方法(当然也是正确的)就是对红色界限范围内的测量点求平均。如公式2所示,其中N是红色界限内的点数,Pith point是第i个点的功率。

小狐狸app问题是,仪器厂商对于功率平均的方法是不一致的。其中一个厂家是按照公式2来计算的;但是另一个厂商先把功率转换成电压,对电压求平均,再把平均电压换算成平均功率,如公式3所示。

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小狐狸app由于两种仪器输出的平均值的差别不大,所以很难看出其中一种仪器用的是公式2,而另一种用的是公式3。有必要从两种仪器分别取出多组轨迹,进行平均直到找到吻合之处。在图1的例子中,采用“真正的均方根”平均功率算法(后面简称RMS功率)的仪器,和采用“电压平均”功率的仪器之间的结果相差 0.25dB(前者比后者高0.25dB)。这点差异可能会被简单的认为是仪器之间的个体差异。尽管0.25dB看起来很小,但是当要求的精度仅仅是±1dB时,0.25dB就显得有点大了。如果是测量整个脉冲的平均功率的话(调制谱测量的是脉冲50%到90%时间内的功率),这个差异会扩大到约 1dB。这个值就会接近我们所要求的仪器之间误差容限了。

“电压平均”功率代表的是“先平均再平方(mean-squared)”的功率(如公式3),而“均方功率”则是“先平方再平均(mean- square)”功率。由统计学的知识我们可以得出:两者的差就是幅度变化。也就是说,两种仪器输出功率的差值就是幅度变化。而且“均方功率”永远大于 “电压平均功率”(RMS power 》 average voltage power)。

第二个关于功率平均的错误观点就是:对功率求平均总是在线形单位(瓦特)下进行的。实际上很多仪器常常采用对数平均。同样采用上面那个例子,假设测试中噪声影响很大,为了去除噪声,决定测量多组轨迹,对轨迹求平均。GSM标准规定,ORFS调制谱的测量需要对200个脉冲求平均。公式4是对应的计算公式,其中PTrace i是用公式2或公式3计算出的单条轨迹的平均值。

小狐狸app当然对这个功率的线性表达结果(单位为瓦特)求平均是合理的,但是很多仪器提供了对数平均功能。这个例子中,以dBm为单位的功率进行了平均。例如,求 1和 3dBm的平均值:如果用线性平均结果为:(1.25mW 2mW)/2=1.62mW= 2.11dBm;但是对数平均的结果为:(1dBm 3dBm)/2=2dBm。因此对数平均的结果会引入0.11dB的误差。

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