数字调制信号功率测量方法

数字通信系统的调制方式多种多样，其信号包络呈无规律的变化。当然，用频谱分析仪和矢量信号分析仪来分析数字调制信号的特征是轻而易举的事，但是其幅度测量的精度不足以作为绝对功率测量的依据。量热式功率计对调制方式不敏感，它是将射频和微波能量全部转化为热量，但是这种测量方法只能测量“真”平均功率，对于数字调制信号的分析尚不够全面。

那么通过式功率计的表现如何呢？本节将从射频功率测量的角度出发来讨论如何找出数字调制信号的共性并准确描述其特征。

1）无源二极管检波器的局限

当一个连续波（CW）、调频（FM）或调相（PM）信号被具有如图8-34所示检波特性的电路取样时，被送至表头的信号是一个与峰值功率成正比的直流电压。这个直流电压使表头指针偏转至某一位置，它指示了相应的功率。从技术上讲，表针所指示的读数可以表示峰值、平均值、有效值或其他任何类型的功率测量结果。用这种方式所构成的表头刻度还可产生以下类型的功率读数：

（1）射频波形与用来校正刻度的波形完全一致，并具有同样的峰值/平均值比的射频功率。

（2）峰值/平均值比保持恒定的射频功率。

（3）被取样信号激励的检波二极管工作于“平方律”范围内的射频功率。这使得检波电路产生的输出电压与被测功率呈对数关系。超出此范围后，电路的灵敏度逐渐下降。如要扩大检波二极管的动态范围，需要将过渡区和线性区利用起来。

图8-34　检波二极管的特性

上述条件对于连续波（CW）、调频（FM）和调相（PM）信号是准确的，由此可见，连续波型功率计适用于单一载频、模拟无线电系统中的功率测试。然而在多载频或数字调制射频的场合，信号波形的对称性、频率、幅度和峰值/平均值比都会随机发生变化。这样的波形与常规调制的信号相比更像是噪声，并可破坏连续波型功率计得以准确校正和使用的条件。另外，数字调制波形的动态范围可以对连续波功率计的二极管检波电路产生过激励，使其超出平方律范围。

2）数字调制信号功率的定义

对于数字调制信号而言，仅仅采用传统的平均功率和峰值功率已经不能完全表达其特性了。从射频功率测量角度，可以用以下4项指标来完整表达一个数字调制信号的特征。

（1）平均功率（AVG）

图8-35　平均功率的定义

平均功率即载频功率的平均值，也就是射频能量的总和。想象一下如图8-35所示的脉冲宽度（τ）等于1/2占空比（T）的脉冲信号，将50 W以上的阴影部分填入50 W以下的空白部分，所有阴影部分的总和就是平均功率。这也就是热偶功率计所测量的“真”平均功率，它不依赖于调制类型和载频数量。

绝大多数的发射系统验收标准都规定了平均功率及其误差范围，如FM广播发射机在正常运行时的输出功率允许偏差应在额定功率的10%范围内，因此对平均功率的测量是不可或缺的。同时也为工程师判断系统性能及是否要做系统维护或校准等提供了依据。

需要说明的是，在功率计的产品手册中，会标明可以测量哪类信号类型的“真”平均功率，在产品目录中说明了可以测量峰均功率比（其定义稍后叙述）不超过10 dB的射频信号的“真”平均功率，意味着这台通过式功率计可以测量数字集群通信系统、GSM和CDMA蜂窝基站、模拟和数字电视发射机等的平均功率。通常，未标注测量信号类型的功率计，只能测量连续波（CW）、调频（FM）或调相信号的功率。

（2）突发功率（BRSTAV）

突发功率定义为周期性突发载频的平均功率（见图8-36），其计算公式如下：

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在突发功率测量中，当功率计检测到峰值功率后，就将门限值设为峰值的1/2。通过检测在一段时间内每个脉冲的上升沿及下降沿通过该门限的次数，计算出占空比，就可以得出突发功率。

图8-36　突发功率的定义

（3）峰值功率（PEP）

峰值功率即载频功率的峰值。当信号调制到载频上时，峰值功率可以检测到振幅的变化。如果τ/T已知，则峰值功率可定义为：

通过测量峰值功率能够检测发射机是否过载。如果在已调信号上升沿出现过冲，或者在波形中夹杂有瞬时脉冲，都可能对系统元器件造成损害，并将导致系统丢包，增加系统的误码率。在TDMA的测量中，在关闭所有其他时隙时，峰值功率和突发功率可以用来检测单个时隙中的过冲。

（4）峰值/平均值功率比（PEP/AVG）

峰值/平均值功率比（简称为峰均功率比）也被称为峰值因子，其定义是峰值功率和平均值功率的比值，单位为dB。在测量时，功率计会根据峰值功率和平均功率来计算峰均功率比。

通信已步入数字时代，峰均功率比成为衡量数字射频系统性能最重要的指标之一。对于功率测量而言，峰均功率比可用于评估一个数字调制的射频信号的共性，测试工程师只需了解被测信号的峰均功率比，即可准确测量其功率的大小。例如，对CDMA、8-VSB/COFDM或类似的调制方式来说，峰均功率比可以达到10 dB，而PAL制模拟电视图像调制信号的平均峰均功率比则为2.2 dB。如果峰均功率比太大，发射机发射出的信号就可能会出现失真的情况，对放大器的线性要求也越高。峰均功率比指标可以检测出过载问题。了解峰均功率比的意义，可以让最终用户更准确地设置基站功率，并能降低运行成本。

3）电压驻波比和回波损耗

电压驻波比（VSWR）和回波损耗都是与入射功率和反射功率相关的比率，（反射系数）也是一个和入射、反射功率有关的比率，用于计算VSWR。这几个参数的换算关系如下：

例如，当反射功率为0.8 W，入射功率为20 W时，

在电压驻波比（或回波损耗）和正向功率已知的情况下就能计算出反射功率：

例如，当VSWR=1.5（回波损耗为-14 dB），Pi=20 W