功率计和频谱仪测量功率的差异
在射频、微波无线系统中准确的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得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。
以上内容由西安安泰测试分享，如在选型/测试过程中有任何问题咨询安泰测试，安泰测试国内测量仪器综合服务商。
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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。
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