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1.當前矢量信號分析儀計量校準方法概述

目前常用的信號分析儀(VSA)計量方法采用標準矢量信號源來進行，優點是簡單方便易于操作，缺點是無法保證“標準源”的準確性、穩定性和重復性。

國際上的計量機構，如德國PTB、英國NPL、美國NIST采用高速采樣示波器和多載波信號源，通過同步觸發裝置進行時間和相位同步并進行系統校準，示波器的采樣值，經過軟件程序計算后，作為幅度相位參數基準，從而實現信號分析儀參數的計量校準。

多載波信號源+示波器+同步器優點是將矢量參數溯源到功率電平、時間和頻率上，缺點是示波器頻率范圍受限，不確定度較大，同步延時在微波測量時帶來較大的相位誤差，系統復雜，引入更多的不確定度。

2.本文提出的計量校準技術

本文提出連續波頻率偏移法測量信號分析儀的剩余誤差，基于本方法，加入模擬調制測量信號分析儀的測量準確度。

a.連續波頻率偏移法：計量信號分析儀的載波頻率誤差、功率誤差、矢量信號分析剩余誤差（表征信號分析儀解調各項指標的本底噪聲）；

b.連續波頻率偏移附加模擬調制法：矢量信號分析儀的誤差矢量幅度EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準確度校準和檢定

c.多載波法：矢量信號分析儀的I/Q偏移（載波泄漏）的量值準確度校準和檢定

3.量值定義

3.1.   I/Q信號

矢量是一個圖解工具，就是在直角坐標系中用一個旋轉箭頭描述信號，箭頭的長度代表信號峰值幅度，箭頭與橫軸的正半軸夾角為相位，箭頭逆時針旋轉為正方向，每秒鐘旋轉的圈數為頻率。

將信號進行矢量分解，即分解為峰值幅度相同、頻率相同但相位相差90度的兩個分量。通常采用一個余弦信號和一個正弦信號描述這兩個信號。其中余弦分量為同相分量I，正弦分量為正交分量Q。

3.2.   誤差矢量幅度（EVM）

誤差矢量(EV)是實際測量信號（m）與理想無誤差參考信號(R)的矢量差。誤差矢量幅度通常表述為其與參考信號幅度的百分比。

3.3.   幅度誤差

實際測量信號（m）與理想無誤差參考信號(R)的幅度差。幅度誤差通常表述為其與參考信號幅度的百分比。

3.4.   相位誤差

實際測量信號（m）與理想無誤差參考信號(R)的相位差。

3.5.   原點偏移

實際測量信號原點與理想無誤差參考信號原點之間矢量差的幅度。通常表述為其與參考信號幅度的比值（dB）。

3.6.   I/Q不平衡

I/Q不平衡包括幅度(增益) 不平衡和相位（正交）不平衡。

3.7.   載波頻率誤差

實際測量信號頻率與理想無誤差參考信號頻率差。

3.8.   平均功率

實際測量信號的平均功率。

4.連續波頻率偏移法(CWO)

4.1.   適用范圍

本方法用來測量和評價矢量信號分析儀的解調分析參數的剩余固有誤差(VSA噪聲)。

適用于以下數字調制方式：MSK, PSK, QAM；

適用于頻譜及矢量信號分析儀的以下參數的計量校準：

頻率誤差，功率電平誤差，剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點偏移（載波泄漏），剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡

4.2.   計量校準設備

計量校準設備是合適頻率范圍的射頻微波信號發生器，溯源標準參數是頻率和功率。

4.3.   連續波頻率偏移法(CWO)原理

目標是產生校準信號，對應矢量信號分析儀(VSA)的響應數字解調標準星座點，或其中一部分星座點。根據I/Q矢量解調原理，通過設置校準信號與VSA中心頻率差對應的I/Q相位差，得到準確的I/Q矢量圖和星座點。

分析數字調制方式MSK, PSK 和QAM，發現其矢量星座圖中包含N個原點對稱的星座點，各星座點幅度相同，我們把這些星座點稱為目標星座點。

經過頻率和功率電平溯源的信號發生器產生的校準信號，即輸入VSA的射頻信號為連續正弦波，其頻率與VSA的中心頻率具有頻率差Δf。

當ΔΦ等于目標星座點相鄰點相位差，Δt=1/fs（fs是VSA的采樣符號速率）時，在I/Q解調矢量圖上，此時的理論I/Q曲線對應一個圓：2·π·Δf·Δt，由此產生的校準信號對應這些目標星座點的標準理想值。

4.4.   測試校準方法

信號發生器的頻率和功率電平為校準溯源參數，頻率參數：采用信號發生器連接外參考標準時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機監測校準；功率電平參數：采用功率計或測量接收機監測校準。

被測VSA設置為校準目標調制方式，中心頻率在其頻率范圍內選擇，符號速率在其指標范圍內選擇，對應濾波器可不設（矩形），或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數0.22。

連接信號發生器與VSA的射頻端口，設置合適的功率電平，它們的頻率偏差按照上表對應的調制方式設置。

讀取VSA的頻率誤差、功率電平誤差及各項解調參數剩余（固有）誤差，如剩余EVM，剩余幅度誤差，剩余相位誤差，I/Q原點偏移（載波泄漏），剩余I/Q不平衡，剩余增益不平衡，剩余相位不平衡。

5.連續波頻率偏移附加模擬調制（CWO-MOD）

5.1.   適用范圍

矢量信號分析儀的數字矢量解調參數的量值準確度校準和檢定：

· EVM、幅度誤差和相位誤差。

5.2.   計量校準裝置

計量校準裝置是具有模擬調制功能（AM,FM,PM）的射頻微波信號發生器，溯源標準參數是頻率和功率、模擬調制度。

5.3.   測試原理

在連續波頻率偏移法的基礎上，附加可溯源的模擬調制，模擬調制的量值與數字矢量調制的量值具有準確并唯一的對應關系。

通過連續波頻率偏移法，在VSA的目標星座點處產生標準參考信號，通過調幅預設幅度失真，通過調頻或調相預設相位失真。以上預設失真值作為標準參考值，從而測量和檢定矢量信號分析儀的數字矢量解調EVM、幅度誤差和相位誤差的量值準確度。

5.4.   測試校準方法

信號發生器的校準溯源參數包括，頻率和功率電平，模擬調制頻率和調制度。

· 頻率參數：采用信號發生器連接外參考標準時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機監測校準；
· 功率電平參數：采用功率計或測量接收機監測校準；
· 模擬調制參數：調制度分析儀或測量接收機監測校準。

被測VSA設置為校準目標調制方式，中心頻率在其頻率范圍內選擇，符號速率在其指標范圍內選擇，其數值遠大于信號發生器模擬調制頻率，測量點數遠大于符號率與調制頻率的比值。對應濾波器可不設（矩形），或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數0.22。

連接信號發生器與VSA的射頻端口，設置合適的功率電平，它們的頻率偏差Δf按照上表對應的調制方式設置。

設置調幅(AM)調制方式，調制頻率遠小于符號率，預設調制度作為校準參考標準值，以調制度分析儀或測量接收機的AM調制度讀數為基準(am%)，同時讀取剩余調相PM調制度(pm°)。

讀取VSA的幅度誤差Emag%，其峰值(Peak)對應am%的峰值(PK)，均方根值(RMS)對應am%的均方根值(RMS)。

幅度誤差測量準確度：Emag% - am%。

讀取VSA的誤差矢量幅度EVM%，理論參考由AM調制度am%和剩余pm構成

· AM校準信號的AM調制度，對應幅度誤差設定值

EVM_am ~ am%

· AM校準信號的剩余調相為pm°，對應誤差

EVM_pm=2·sin(pm·π/360)*100%

· 參考均方根值，均方根值EVM測量準確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_am = am%

設置調相(PM)調制方式，調制頻率遠小于符號率，預設調制度作為校準參考標準值，以調制度分析儀或測量接收機的PM調制度讀數(pm°)為基準，同時讀取剩余調幅am%。

· PM校準信號的PM調制度，對應相位誤差設定值

EVM_pm ~2·sin(pm·π/360)*100%

· AM校準信號的剩余調相為am，對應誤差

EVM_am ~ am%

· 參考均方根值，均方根值EVM測量準確度：

EVM = SQRT(EVM_am^2+EVM_pm^2) ≈EVM_pm

6.連續波頻率偏移多載波法

6.1.   適用范圍

矢量信號分析儀的原點偏移（本振泄漏）量值準確度校準和檢定：

6.2.   計量校準裝置

計量校準裝置是多載波信號發生器或并供參考的獨立的兩臺信號發生器，溯源標準參數是頻率和功率。

6.3.   測試原理和方法

在連續波頻率偏移法的基礎上，在VSA的目標星座點處產生標準參考信號，在VSA中心頻點輸入另一個連續波信號，代表本振泄漏電平，泄漏電平與參考信號電平之比，即原點偏移。

信號發生器產生兩個不同頻率和電平的信號，輸入VSA。

6.4.   測試校準方法

信號發生器的頻率和功率電平為校準溯源參數，頻率參數：采用信號發生器連接外參考標準時鐘源，或者采用頻率計或測量接收機監測校準；功率電平參數：采用功率計或測量接收機監測校準。

被測VSA設置為校準目標調制方式，中心頻率在其頻率范圍內選擇，符號速率在其指標范圍內選擇，對應濾波器可不設（矩形），或為升余弦(RC或Cosine)，滾降系數0.22。

連接信號發生器與VSA的射頻端口，信號發生器產生兩個不同頻率和電平的信號，輸入VSA。通過連續波頻率偏移法，設置第一載波頻率，在VSA的目標星座點處產生標準參考信號；在VSA中心頻點處，輸入第二載波信號，其電平小于第一載波。兩個電平差值對應原點偏移。

7.總結

以目前常用的信號分析儀（VSA）的測試情況來看，由于計量信號是單載波連續波，儀器在VSA解調測試時通常會發出警告，提示本信號并非數字調制信號，但是不影響EVM以及頻率、幅度和相位誤差的測試結果。

根據本文的連續波頻率偏移法，測量信號分析儀的MSK、PSK和QAM解調的剩余誤差是可行的。另外，利用可溯源的模擬調制，測量信號分析儀的測量準確度。