信号发生器的功率

信号发生器可以为各种元器件和系统测试应用提供精准而稳定的测试信号。信号发生器 有一个重要的技术指标，那就是输出功率范围。在接收机灵敏度测试中，信号发生器通常 需要输出低至 -120 dBm 的信号，在射频功率放大器测试中，信号发生器通常需要输出 高达 +20 dBm 的信号。它们需要在满足关键技术指标（如精度、频谱纯度和噪声）的同 时实现这一宽动态范围。

功率有几种类型，包括均功率、包络功率和峰值包络功率。在详细了解每一种功率之 前，我们首先来了解一下功率的基础知识。

什么是“功率”？

功率是能量传输的速率，测量单位为瓦（W）。一瓦等于一秒钟内传输的一焦耳能量。

在直流（DC）中，功率是电压和电流的乘积。在交流（AC）中也是如此，但是对于 交流而言，电压和电流的变化会导致瞬时功率发生变化。

信号发生器的输出功率是指输出的平均功率。要得到平均输出功率，我们只需要将 P 曲线下的面积求积分，如图 1 所示。

图 1. 直流和低频功率测量。

关于 dB 和 dBm 的探讨

如果没有对 dB 标度进行探讨，那么关于功率的讨论就不能称之为完整。dB 代表分贝， 用于表示对数标度的比率。将比率转换为 dB 可以采用下面的公式：

其中，P0 是参考功率电平，P 是感兴趣的功率电平。如果 P0 是 1 mW，您将得到 dBm。 换句话说，dBm 是取 1 mW 做基准值。

为什么要使用 dB 和 dBm？当我们要表达非常大或者非常小的值时，dB 和 dBm 非常 有用。例如，10,000,000,000 的比率可以表示为 100 dB，而 0.000 000 000 1 的 比率则可以表示为 -100 dB。

使用 dB 的另一个优势是，它能够让您轻松计算总的系统增益或损耗。您只需对增益做 加法，对损耗做减法即可。这样做非常方便，特别是当您的射频系统中有多级放大器和 衰减器时。

什么是平均功率？

“平均功率”一词通常用于射频和微波系统，与之相对的是瞬时功率。瞬时功率变化 得太快，因此没有意义。平均功率是在具有最低频率分量的时间段内传递的平均能量。 功率传输始终是一个正值，不像电压和电流（可以在正负值之间波动）。

了解包络功率和峰值包络功率

在表征射频功率放大器时，您需要了解各种操作条件下的功耗。图 2.3 所示为高频调制 信号的功率测量。

包络功率是通过对一个时间段内的功率取平均值来确定的，这个时间段比具有最高调制 频率的时间段长，但比载波周期短。包络功率让您可以检查调制或瞬变条件对功耗的影 响。由于电池供电的移动器件内采用了许多射频功率放大器，因此这一点尤其重要。峰 值包络功率（PEP）是最大包络功率，它是表征发射机的重要参数之一。

信号发生器- 调制信号的电压包络

图 3. 高频调制信号的电压包络和功率包络。上图是调制信号的电压包络。左下方图中的绿色部分是信号的瞬时功率，红色是平均功率。右下方图中红色曲线的是包络功率。

了解功率技术指标

谈到功率技术指标时，许多信号发生器的产品资料中会列出功率输出范围、分辨率和适 用的频率范围。有几点需要注意：

输出幅度受频率范围和工作温度的影响。

通常会有选件可以满足更高的输出功率需求。

步进衰减器提供粗略的功率衰减（步长为 5 dB）来实现低功率电平。在衰减器的保 持范围（hold range）内由 ALC（自动电平控制）提供精细的功率电平调节。

“最大输出功率”用于连续波（CW）模式。一些产品资料中列出了 I/Q 调制的最大 输出功率。对于 Keysight MXG/EXG 信号发生器而言，功率技术指标指的是 PEP。

表 1. Keysight MXG/EXG 信号发生器的幅度技术指标 — 最大输出功率。

有了调制之后，问题变得有点复杂

在时域和频域内，大多数数字调制信号会出现类似噪声的情况，而峰值似乎是随机 的。您如何确定在这些峰值期间信号发生器未能达到饱和状态？功率互补累积分布函 数（CCDF）曲线可以告诉我们这些峰值能达到的高度。例如，图4 中的最高峰均比 （PAR）是 5.95 dB。

如果信号发生器的最大输出功率为 18 dBm，那么信号发生器的最大功率输出可设置为 12.05 dBm（18 dBm – 5.95 dB）。请记住，信号发生器的功率输出是平均功率输 出。如果将信号发生器的输出设置为高于 12.05 dBm，那么峰值会被削减。

图4. Keysight N5182B 信号发生器波形实用程序的 CCDF 图。此处显示的信号波形是符号速率为 1 Msps 的 64 QAM RRC（根升余弦）基带滤波器波形。

信号发生器测量应用

如果您需要的输出功率不在这个规定范围，则可以使用放大器增大输出功率，或使用衰减器降低输出功率。但是，您需要考虑放大器的增益不确定度和衰减器的平坦度和精 度。这里有几个高输出功率和低输出功率的测试应用。

高输出功率测试应用：

1. 降低自动测试设备（ATE）系统内的切换损耗

2. 解决长电缆内的信号衰减问题

3. 高功率放大器

4. 接收机阻塞测试

低输出功率测试应用：

5. 接收机灵敏度测量

6. 作为干扰信号