频谱分析仪的多载波频谱发射模板测量原理与实现

杜 垚

（中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266555）

0 引言

频谱发射模板测量包括带内和带外的杂散发射，可以非常直观地观察和判断信号的杂散分量是否超过标准，是表征无线发射机射频特性的一个重要参数。该项指标用于检验发射机是否在工作频段产生非期望发射，避免对其他频谱造成干扰。随着移动通信技术的发展，为了提高传输速率和系统容量，更好地支持高速数据业务及大规模组网能力，移动通信系统开始向多载波方向进行增强和演进[1]。因此，相较于标准的单载波信号测试，针对多载波信号的频谱发射模板测量功能需求越来越广泛。目前，国外主要电子测量仪器厂商的频谱分析仪产品均已支持独立的多载波频谱发射模板测量功能，对发射机射频一致性测试更加完善。在快速响应市场及技术发展需求的同时，相关产品市场竞争力也得到提升。

1 实现原理

频谱分析仪整机采用超外差式结构设计，可划分为微波变频单元、中频信号处理单元、频率合成单元以及控制接口单元[2]。微波变频单元实现射频输入到中频输出的变频和滤波[3]。中频信号处理单元涵盖模拟中频和数字中频。模拟中频部分完成微波变频单元输出的中频信号到最后一级采样中频信号的变频、滤波处理。数字中频完成中频检波、视频滤波以及视频检波等处理[4]。频率合成单元生成各级混频所需的电频信号。控制接口单元完成参考信号、中频信号等本机信号输出。

频谱分析仪各测量功能的实现均基于统一的硬件平台结构和“插件+分层”的软件架构，针对不同的测量功能，设计不同的扫描测量流程及测量结果呈现方案[5]。

频谱分析仪整机软件的混合式架构设计，包括系统层、框架层及插件层，各层相互独立。系统层依赖软件运行的操作系统，向框架层操作系统级服务，包括系统资源、系统应用、总线驱动及网络资源等。框架层生成软件主程序，提供插件管理、线程管理、任务管理、插件服务及功能控制等服务。框架层不涉及具体的业务功能，业务功能由插件层提供。插件层提供多个互相独立的插件，包括基础插件和业务功能插件。其中，基础插件提供了视图显示、数据计算及远程控制等基础功能，提供给业务功能插件使用。业务功能插件提供具体的业务功能，如图1 所示。

图1 频谱分析仪软件架构

频谱分析仪整机软件功能主要包括插件管理功能、界面显示功能、任务管理功能、远程控制功能、系统管理功能、流程管理功能以及测试功能。插件管理功能主要负责插件的加载，提供插件信息显示；界面显示功能主要负责测量结果数据输出、显示，包括基本的轨迹数据、计算结果汇总表等；任务管理功能主要负责各功能插件的创建、删除及修改；远程控制功能通过GPIB、USB 和LAN 等网络通信方式，使用户以标准SPCI 指令实现远程控制仪器；系统管理功能主要负责系统级功能管理，包括系统信息显示、仪器错误信息管理、仪器帮助信息以及打印输出等功能；流程管理主要负责对仪器任务管理消息的路由管理，对不同的消息进行分发处理；测试功能主要实现具体的测试功能业务逻辑。

2 关键参数配置与算法

2.1 关键参数配置

频谱发射模板包含一个参考信道（即携带载波信息的信道）和多个偏移信道。每一个信道都可以单独设置起始频率、终止频率、分辨率带宽、视频带宽、扫描时间、衰减器、参考电平、前置放大器、绝对功率限定值、相对功率限定值以及功率限定模式等测量参数。上述参数在每个标准的3GPP 协议中都有标准定义，信号分析设备整机中预置了部分标准协议的xml 文件，在选择对应标准协议时，信道对应的参数都会自动加载，也可以手动修改指定参数定义。除预置的标准协议xml 文件，频谱发射模板也支持用户自定义的xml 文件，但要求xml 文件格式必须与整机中预置的xml 文件格式保持一致，否则无法生效。

频谱发射模板使用功率阈值来判定信道的测量结果（轨迹数据）是否超限。功率阈值通常分绝对功率限定值和相对功率限定值两种。绝对功率限定值的单位是dBm，相对功率限定值的单位是dBc，是偏移信道峰值功率相对于参考信道的参考功率值。参考信道的参考功率值分为积分功率参考和峰值功率参考两种。在视图显示中，通常以冷色调代表绝对功率限定值形成的轨迹线，以暖色调代表相对功率形成的轨迹线。

判定偏移信道功率是否超限，还需要根据当前信道的功率限定模式做判断。功率限定模式分为绝对限定、相对限定、绝对与相对限定以及绝对或相对限定，如表1 所示。

表1 信道功率判定规则

多数情况下，频谱发射模板多个信道的多数参数设置（起始频率、终止频率除外）相同。为了提高频谱发射模板测量速度，可以将多个信道合并为一个信道扫描。这种合并信道测量的方式需要满足以下条件：

（1）信道之间必须是连续的，不能有间隙；

（2）信道的测量参数，包括分辨率带宽、视频带宽、扫描时间模式、参考电平值、衰减器模式及前置放大器状态必须相同；

（3）合并信道测量只适用单子块测量，当有多个子块定义时，该测量方式无法生效。

2.2 多子块间交叠信道功率门限判定

由于频谱发射模板每个子块中的限定模板相互独立，那么在相邻子块出现信道交叠（子块中参考信道不允许交叠）情况时，就需要确定子块间交叠信道的限定功率该如何计算。参考信道包含有效载波信号，不需限定参考信道功率，因此不考虑参考信道的判定方式。对于其他的偏移信道，只有相邻子块间的限定功率才是有意义的。换言之，如果限定功率定义范围覆盖多个子块，只有对应子块与其相邻子块间的信道限定功率起作用，如图2所示。

图2 多子块间交叠信道功率门限判定

信道功率限定方式共有3 种，分别是无、最大值以及线性和。参考信道不需执行功率限定，因此参考信道限定通常为“无”；“线性和”限定取两个限定值的线性和为最终的限定功率；“最大值”限定取两个限定值中的最大值为最终有效限定功率。假设子块2 的信道A 与子块3 的信道B 发生交叠且落在图2 中“有效限定”（蓝色部分）区域，那么信道A 与信道B 的功率限定方式和限定功率则由信道A 与信道B 限定方式组合确定。

如果信道A 限定方式为“最大值”限定，信道B 限定方式为“最大值”限定，则最终的限定功率为信道A 和信道B 中的限定功率最大值。

如果信道A 限定方式为“最大值”限定，信道B 限定方式为“线性和”限定，则最终的限定功率为信道A 和信道B 中的限定功率最大值。

如果信道A 限定方式为“线性和”限定，信道B 限定方式为“线性和”限定，则最终的限定功率为信道A 和信道B 中的限定功率线性求和。

如果信道A 限定方式为“无”限定，信道B 限定方式为“线性和”或“最大值”限定，则最终的限定功率为信道B 中的限定功率值。

如果信道A、信道B 均为“无”限定，最终的限定功率则取决于交叠信道与两个子块中间频率的相对位置：

（1）若交叠信道完全小于中间频率，则使用左侧子块限定功率值；

（2）若交叠信道完全大于中间频率，则使用右侧子块限定功率值；

（3）若交叠信道跨越中间频率，将交叠信道重新划分成两个新的子范围，左子范围使用左侧子块限定功率值，右子范围使用右侧限定功率值。

3 结语

本文对频谱分析仪中的多载波频谱发射模板测量技术进行了研究，介绍了多载波频谱发射模板测量功能实现的基本结构和原理，并给出了关键算法的实现步骤。通过在频谱分析仪中多载波频谱发射模板测量功能的设计实现，不仅扩展了频谱分析仪的基本测试能力，而且给数字信号发射机的指标等测试提供了便捷直观的测量途径。