Hints 8つのヒントアナログRF信号発生器によるより優れた測定ご注意 2002 年 6 月 13 日より、製品のオプション構成が変更されています。カタログの記載と異なりますので、ご発注の前にご確認をお願いします。信号源はさまざまなコンポーネント/システム・テスト・アプリケーションに、正確で安定度の高いテスト信号を供給します。信号発生器は精密な変調機能を持ち、レシーバ性能テストでのシステム信号シミュレーションに使用できます。本書は、RFアナログ信号源を使用した測定の確度向上のためのガイドです。次のヒントをテスト・セットアップでご活用されて、確度向上にお役立てください。 HINT HINT 信号源の実効高調波歪みの改善 1 信号源の出力でローパス・フィルタを使用して、高調波歪みを低減します。 HINT HINT パワー・レベル確度の向上 2 パワー・メータを使用して、被測定デバイスでの信号レベルの確度を向上します。 HINT 6 HINT 周波数確度の向上 3 適切な周波数基準を選択することにより、絶対/相対周波数確度を向上します。 HINT ソース・マッチの改善 4 5 7 HINT 固定アッテネータを使用して、整合エラーを低減します。 8 TOI測定のための信号源出力の結合信号源の分離、整合改善のために適切なセットアップを使用します。 FM偏移確度の改善ベッセル・ヌル方法を使用して、信号発生器の周波数偏移を設定します。振幅レンジの拡張増幅器またはアッテネータを使用して、信号源の振幅レンジを増大/低減させます。最適な位相ノイズ・プロファイルの選択適切な位相ノイズ・プロファイルを使用して、チャネル内/チャネル外測定のために最適化します。制御 N分周位相検波器 ALC 変調器 φ 出力アッテネータバースト変調器信号源出力 Σ 2 X VCO マルチプライヤファンクション・ジェネレータ ALC ディテクタ d/dt ALC 分周器バースト変調分周器 xによるファンクション・分周ジェネレータ外部AM 外部パルス基準部から ALC ホールド外部FM/PM入力代表的な信号発生器のブロック図 2 HINT 信号源の実効高調波歪みの改善高調波歪みの正確な測定には、スペクトル的に純粋な信号源とスペクトラム・アナライザが必要です。測定の品質を制限するものとして、信号源の高調波歪みとスペクトラム・アナライザのダイナミック・レンジが挙げられます。これに対して、基本波の下30dBのオーダの高調波歪み性能を持った信号源が測定の制限要素となることがあります。図1は、代表的な高調波歪み測定を示しています。信号の高調波歪みはしばしば、最大高調波の振幅を基本波と相対させたdBで表わします。信号源の実効高調波歪みを改善するには、図2で示すようにローパス・フィルタを使用します。ローパス・フィルタのカットオフ周波数は、基本波周波数がなるべくそのまま通過し、高調波ができるだけ大きく減衰されるように設定します。この信号源/フィルタ組み合せのパフォーマンスを、スペクトラム・アナライザによって直接に確認することが可能です。もし基本波周波数でのフィルタによる損失が大きければ、信号源出力レベルの設定でその損失を考慮する必要があります。スペクトラム・アナライザを使用してフィルタ出力における基本波レベルを調べるか、またはより優れたレベル確度のためにはヒント2をご参照ください。 1 注記：ある高調波(m次高調波)の%歪みは、次のようにして計算できます。また全高調波歪みは、上記のようにして各高調波の歪みを得た後に、その平方の和の根を求めます。基本波 dB 相対高調波歪み最大高調波周波数図1. スペクトラム・アナライザ 8563A ローパス・フィルタ FREQUENCY WCDMA T ON Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int RF MOD ON ON SPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz 被測定デバイス DUT 図2. 信号源の出力にローパス・フィルタを置くことにより、信号源の高調波歪みを改善 3 HINT 2 パワー・レベル確度の向上テスト・セットアップの中で、信号源とDUTの間にケーブル、フィルタ、スイッチなどの受動デバイスを使うことがよくあります。これに対してDUTにおける信号レベルの確度は、このようなコンポーネントによって影響を受けます。例えばレシーバの感度測定などのアプリケーションでは、入力信号レベルの確度は重大です。必要とするだけのパワーをDUTに印加するために、測定を行う前に次のテストを行います。テスト・セットアップは図3で示すように信号発生器、パワー・メータとパワー・センサ、および測定で使用するケーブルやスイッチにより構成します。正確なパワー測定のために、パワー・メータをパワー・センサに対して校正します。ここでは、お客様がパワー・メータの校正やゼロイングに対して十分な知識をお持ちのことを前提としています。注記：パワー・メータ測定の確度は、センサの校正係数によりことなります。校正の前に、パワー・メータに必ず校正係数を入力してください。パワー・メータの校正が終了後、パワー・メータの測定周波数を信号周波数に設定します。図3で示すようにDUT の代りにセンサを接続し、パワー・レベルを測定します。パワー・メータの表示値と信号源の示すレベルとの間に相違があれば、信号源の振幅オフセット機能を使用して必要な調整を行います。−信号源の表示パワー・レベルと、パワー・メータの表示値とを一致させます。ある周波数における振幅の調整を行えば、後は信号源は自動的にその周波数での様々な振幅の値を正確に表示します。パワー・メータの確度は非常に高いために(不確かさはdBレンジの数十分の一)、そのパワー・レベルの正確さは信頼できます。パワー・メータ FREQUENCY WCDMA T ON Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int RF MOD ON ON テスト・ポートパワー・センサケーブル、スイッチなど DUT 図3.信号のレベル確度向上のためのセットアップ 4 HINT 周波数確度の向上測定によっては信号の絶対周波数が重要なこともあり、また複数信号間の相対的な周波数間隔が重要なこともあります。例えば既知の周波数のマルチトーン入力を発生するために、複数台の信号発生器を使用することがあります。この場合に各信号源の周波数確度は、その内部周波数標準に依存しています。これらの周波数標準がずれているために、測定で相対的周波数エラーを引き起すこともよくあります。例えば1kHzの間隔を持った、200 MHz を中心とした2信号を必要としている場合、信号源のエージング・レートは± 1×10-6/年で、この場合に信号源の周波数エラーは200MHz×1× 10-6 = ±200Hz となります。これにより間隔は、図4で示すように600Hz∼1400Hzの範囲となります。このような場合に2信号源のタイムベースを接続すれば、確度を向上させることができます。一方の信号源の基準信号出力(通常はリアパネルに用意されている)を、もう一方の信号源の基準信号入力と接続します。これで間隔の不確かさは1kHz×10 -6 、つまり 0.001Hzとなります。 3 信号の絶対周波数が重要な場合には、最も信頼できる外部周波数基準を見つけることにより周波数確度を向上できます。セットアップ中で最も正確なタイムベースを持った測定器を選び、他の機器をすべてこの基準に接続します。オーブン制御型基準発振器を提供しているメーカもあります。これらの周波数/時間標準は極めて正確ですが、価格も高価です。振幅 (dB) またハウス・スタンダードを使用すれば、常に周波数確度の向上が可能です。ハウス・スタンダードは、ユーザの施設内に供給されている高確度の周波数基準です。この基準に対して、信号源やその他すべての機器を接続します。適切レベルの維持やインピーダンス整合のためには、分配増幅器を必要とする場合もあります。 1400 Hz 600 Hz 1 KHz 公称周波数 (Hz) 図4. 影で示す部分が相対周波数エラーの範囲 5 HINT ソース・マッチの改善 4 テスト・デバイスは整合の良くないものが多いため、ソース・マッチが重要となります。信号源と負荷インピーダンス間の不整合によって、被測定デバイスへの実効信号入力レベルが変ります。またテスト・デバイスを直接に信号源に接続することは少ないため、問題はより複雑です。信号源と負荷との間には、アダプタやフィルタなど他の様々なコンポーネントが介在する場合が多くあります。テスト・デバイスのコネクタ・タイプへの適合のためアダプタを使用したり、信号源高調波の除去のためフィルタを使用する場合、そのようなコンポーネントがテスト・デバイスから見たソース・マッチを劣化させないか注意する必要があります。このような場合の不整合を改善する方法は、いくつかあります。最も簡単なのは、良い整合を持った固定アッテネータをテスト・デバイスの入力に挿入することです。これにより、アッテネータの2倍のdBだけ実効ソース・マッチを改善できます。は信号の位相によって、負荷に加算もしくは減算されます。測定の観点からは、インピーダンス不整合が原因で起こる最大および最小エラーとしての、最大/最小パワー伝送を最重要視します。次の図は、アッテネータの挿入によって、測定にどのような影響があるかを示しています。負荷の整合が良くない場合には負荷からの反射が発生し、それが信号源にまで戻ります。そのうち信号源で十分に吸収されなかった分が、再び負荷に向かって再反射されます。この再反射波例条件：信号源 = 1.9 被測定デバイスのSWR = 1.5 測定値：不整合エラー・アッテネータの挿入前 SWR-1 = 1.9 -1 = 0.9 = ρS = SWR+1 1.9+1 2.9 0.31 1 DUT ρD = 0.5 = 2.5 0.2 不整合エラー最大不整合エラー ± 0.52 dB = 20 log [1+ρSρD] = 20 log [1+(0.31)(0.2)] 0.52 dB ・ρ = 0.32、10dBアッテネータを挿入後不整合エラーアッテネータ最大不整合エラー DUT = 20 log [1+ρS ρD(アッテネータ)2] = 20 log [1+(0.31)(0.2)(0.32)2] 0.055 dB ± 0.055 dB 6 HINT TOI測定のための信号源出力の結合 3次インターセプト(TOI)測定のために 2つの信号源を結合する場合、それらの信号源の適切な終端と互いの分離が重要となります。分離が不完全だと信号源は相互変調し合って、被測定デバイスの入力に相互変調成分をもたらす恐れがあります(図5)。このため、デバイスの本当の相互変調パフォーマンスが隠れてしまう場合があります。 RL 0 dBm ATTEN 10 dB CENTER 20.00000 MHz RB 30 Hz VB 30 Hz それぞれの信号源が、最良の50Ω終端を必要とします。抵抗コンバイナを使用する場合は、2抵抗タイプでなく必ず 3抵抗タイプのものを使用します(図6)。 2抵抗コンバイナ/スプリッタはレベリング・アプリケーションに使用し、スプリッタの一方をパワー・メータに接続して正確なレベル制御を行うためのものです。TOIアプリケーションのためには、2抵抗コンバイナではどのポートにも50Ω整合をもたらしません。これに対して3抵抗スプリッタは3つのポートすべてで適切な終端を与えるだけでなく、2信号源間に6dBのアイソレーションも提供します。 10 dB / DIV SPAN 10.00 kHz ST 20 sec 図5. 相互変調し合う2信号源が発生する相互変調成分の例 8563A FREQUENCY WCDMA T ON Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int 9 kHz - 26.5 GHz 2信号源を結合するための最良の方法としては、方向性スプリッタまたは方向性結合器を使用します。これにより、最適なポート整合と優れたアイソレーションが得られます。またどのタイプのコンバイナを使用していても、各信号源の出力に(信号の前で)アッテネータを加えることによって、2信号源間のアイソレーションが向上します。このための減衰を補償するためには、信号源出力レベルをアップします。各信号源の出力に10dBのアッテネータを付加すれば、アイソレーションは20dB増大します。アイソレーション増大のためには、各信号源の後に増幅器を置く方法もあります。この増幅器による逆アイソレーションによって、一般に2信号源間のアイソレーションが大きく向上します。信号源によっては、出力自動レベル制御(ALC)をオフすることにより相互変調成分が減る場合があります。オフによって、2信号源間のパワー・レベル制御の衝突が防がれるからです。しかしAMがオフの場合にほとんどのALC 帯域幅は非常に低いため、これは周波数オフセットが広い(一般に100kHz以上)場合にはあまり問題とはなりません。以下に、既知の偏移をセットアップする手順の例を示します。 RF MOD ON ON DUT FREQUENCY WCDMA T ON SPECTRUM ANALYZER 5 RF MOD ON ON 図6. 信号源出力のアイソレーションのために3抵抗コンバイナを使用 7 HINT 6 FM偏移確度の改善信号源の偏移をもっと正確に設定したいと思われたことはありませんか?信号源の周波数偏移を正確に設定するのには、キャリア・ヌル方法が最適です。スペクトラム・アナライザと周波数カウンタの助けを借りて、信号発生器を正確な周波数偏移に調整できます。キャリア・ゼロの1つを使用して、適切な変調周波数を選択します。変調率： β= ピーク周波数偏移変調周波数 (公式A) 周波数変調ではβの値が変わると、スペクトル成分(搬送波成分も含む)の振幅も変わります。図7ではベッセル関数曲線が、変調波の搬送波振幅と側波帯振幅との関係を変調率βの関数として示しています。特定のβの値では、搬送波J0 と様々な側波帯J nがゼロ振幅となっていることに注意してください。例えば図8では、偏移は最初のキャリア・ヌルに合わせています。変調周波数は10kHz、βは2.4(最初のキャリア・ヌル)です。したがって公式Aに代入すると、ちょうど24kHzの搬送波ピーク周波数偏移が得られます。表1は、各オーダのキャリア・ヌルに対する一般的偏移の値に対する変調周波数を示しています。図8. 偏移を最初のキャリア・ヌルに合わせた50MHz FM信号のスペクトル図7. ベッセル関数曲線が、変調波の搬送波振幅と側波帯振幅との関係を変調率βの関数として示す 8 FMピーク偏移の一般的な値キャリア・ゼロの変調率オーダ 7.5 10 15 25 30 50 100 150 250 300 kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz 1 2.40 3.12 4.16 6.25 10.42 12.50 20.83 41.67 62.50 104.17 125.00 2 5.52 1.36 1.18 2.72 4.53 5.43 9.06 18.12 27.17 45.29 54.35 3 8.65 .87 1.16 1.73 2.89 3.47 5.78 11.56 17.34 28.90 34.68 4 11.79 .66 .85 1.27 2.12 2.54 4.24 8.48 12.72 21.20 25.45 5 14.93 .50 .67 1.00 1.67 2.01 3.35 6.70 10.05 16.74 20.09 6 18.07 .42 .55 .83 1.88 1.66 2.77 5.53 8.30 13.84 16.60 表1. 各オーダのキャリア・ヌルの一般的偏移に対する変調周波数以下に、既知の偏移をセットアップする手順の例を示します。 1) 必要とする偏移のカラム、例えば 250kHzを選択します。 2) 表から、使用する通常の変調帯域幅に相当するキャリア・ヌルを選択します。例えば音声変調回路のテストに250kHzを選択した場合、ジェネレータの音声通過帯域内の変調周波数を得るには5つ目のキャリア・ヌルを選ぶ必要があるでしょう(ここでは16.74kHz)。 3) 周波数カウンタを使用して変調周波数を16.74kHzに設定し、ジェネレータの出力スペクトルをスペクトラム・アナライザによりモニタします。搬送波振幅が4つのゼロを過ぎるまで搬送波の偏移を増加させ、5番目の最小値でストップします。変調周波数16.74kHzと5番目のゼロにおけるスペクトルにより、このセットアップは正確な250kHz 偏移を提供しています。周波数カウンタを使用して変調周波数を正確に設定でき、また変調率も正確に分かっているため、発生された周波数偏移も同様に正確と言えます。 9 HINT 7 振幅レンジの拡張どのような信号発生器にとっても、重要な仕様の1つに出力パワー・レンジがあります。この範囲外で使用する場合、出力パワーを増大させるには増幅器が、減少させるにはアッテネータが必要になります。これらのデバイスを使用して信号源の出力振幅レンジを拡張する場合に、注意しなければならないいくつかの点があります。まず増幅器のゲイン不確実さが、出力信号レベルに直接に影響します。この場合に増幅器の1dB圧縮ポイントに留意します。この圧縮ポイントに非常に近寄ってデバイスをドライブしなければならない場合は、出力でローパス・フィルタを使用し、付加する高調波歪みを除去します(図9)。増幅器の場合と同様に、アッテネータを使用する場合にもそのフラットネスや確度など注意すべき点があります。最も正確に測定を行うには、ネットワーク・アナライザを使用してアッテネータを特性評価した上で、その誤差を補償するために信号源パワーを補正します。ローパス・フィルタ FREQUENCY WCDMA T ON Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int DUTへの RF MOD ON ON 出力図9. 振幅レンジを増大させる場合、ローパス・フィルタを使用して、付加する高調波歪みを除去干渉信号は特に非常に低い振幅レベルの場合に、エラーの大きな原因となります。このような信号として例えば近隣の無線局から来る外部放射や、または信号源自身からの漏洩も考えられます。信号源からの漏洩はDUTへのレベル入力に影響し、外部ノイズは測定データに影響を与えます。このような不確実さから守るには、DUTを例えば金属ボックス(図10)やシールド・ルームなどの遮蔽環境に置くと良いでしょう。またTEMセルにも同様の効果があります。これは外部放射や、またセル外部にあるアッテネータや信号源からの信号漏洩の効果を防ぐ働きを持っています。 FREQUENCY WCDMA T ON Waveform: Sample Clk: Recon Filter: 2.5 MHz Arb Ref: Int RF MOD ON ON DUT アッテネータロング・ケーブル図10. 振幅レンジを減少させる場合、DUTを遮蔽環境に置く 10 HINT 最適な位相ノイズ・プロファイルの選択信号源内のランダム・ノイズは、周波数の狭い範囲でパワーが拡散する原因となります。この拡散を位相ノイズといい、ランダム位相変調として数学的にモデル化することもしばしばあります。位相ノイズの計測単位はdBc/Hzで、これは1Hz当り搬送波から何dB降下するかを意味しています。また位相ノイズは、信号源出力からの周波数オフセットにおいて仕様されます。例えば、ある信号源の位相ノイズは、-97dBc/ Hz@100 kHzオフセット(信号周波数 20GHzからの)などとして仕様されます。信号発生器内部シンセサイザの位相ロック・ループ帯域幅を広げると、チャネル内測定に最適な低オフセット(例えば<10kHz)における最小位相ノイズが得られます。しかしこれによって、高オフセットでは位相ノイズが増大しています。逆に狭い位相ロック・ループ帯域幅を使用した場合には、高オフセット(例えば>10kHz)でチャネル外測定に最適な最小位相ノイズが得られます。同じくこの場合にも、低オフセットで位相ノイズが増大しています。 8 一般に位相ノイズは、対数-対数軸を使用して表示します。これにより、密接な位相ノイズ(オフセット<1kHz)も離れた位相ノイズ(オフセット>10kHz) も1つのプロットで同時に表示可能です(図11)。最近の信号発生器の中には、2つの位相ノイズ・モデルを選択できるものもあります。このため、チャネル内測定またはチャネル外測定のために性能を最適化できます。モード1 モード2 1GHzでの代表的なSSB位相ノイズ ESGシリーズ図11. 11 Agilent Technologies RF信号発生器ガイド ESGシリーズ Agilent E4400B/E4420B/E4421B/E4422B 優れたレベル確度、±0.5(±0.9>2GHz) 拡張可能なアーキテクチャ内蔵ファンクション・ジェネレータ電子アッテネータ費用効率の高い価格でステップ掃引 ● ● ● 250kHz∼1/2/3/4GHz +7、+10、+13∼-136dBm AM、FM、φM、パルス変調ディジタルRF Agilent E4430B/E4431B/E4432B/E4433B CDMA、GSM、NADC、PDC、PHS、DECT、TETRA アプリケーションのための内蔵変調フォーマット優れたレベル確度、I/Q入力 ● ● ● ● ● 250kHz∼1/2/3/4GHz +7、+10、+13∼-136dBm AM、FM、φM、ディジタル変調、パルス変調内部任意波形発生器柔軟な変調発生高性能RF Agilent 8643A/8644B/8645A RFデザインおよび製造のための高性能信号発生器 ● ● ● ● ● 250kHz∼1.03GHz(オプションにより2.06GHz) +13、+16∼-137dBm AM、FM、パルス変調 1GHzでの残留FM：<2/<1 スプリアス(dBc)：<-100(オプションにより<-94) 12 低価格RF Agilent 8647A 低価格シンセサイズド信号源、電子アッテネータ搭載 ● ● ● 250kHz∼1GHz +10∼-136dBm AM、FM、φM Agilent 8648A/B/C/D 低価格シンセサイズド信号源シリーズ、製造およびサービス・アプリケーション向け ● ● ● 9/100kHz∼4GHz +10、+13∼-136dBm(オプションにより最大+20) AM、FM、φM、およびオプションのパルス変調 Agilent 8657A 低価格で高信号純度と電子アッテネータ ● ● ● ● ● ● 100kHz∼1.04GHz +12∼-143.5dBm AMおよびFM 低位相ノイズ ATEのための電子アッテネータチャネル内/チャネル外性能 Agilent 8657B 低価格で高信号純度と最大2GHzパルス ● ● ● ● ● ● 100kHz∼2.06GHz +13∼-143.5dBm AM、FM、パルス変調(オプション) 低位相ノイズ 1Hz周波数分解能チャネル内/チャネル外性能 13 5967-5661J 040002302-L/H