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。