5G科普——常用通信测量仪器以及测量过程

一、通信测量过程

通信测量中被测参量大致分成两类（主动参量和被动参量），相对应的有两种测量过程。
　第一类，主动参量，指表征电信号各种特性的量，即信号的电压、电流、功率、频率、相位¹、时间、周期、波形、频谱等。
　另一类，被动参量指表征通信系统中电路或系统特性的量，如特性阻抗²、传输特性、噪声特性、频率特性、相位特性、群迟延³、误码率⁴等。
　主动参量可直接送到测量电路与作为标准的同类参量相比较，一般先要把被测量进行适当的变换（如数字化测量中都要用到A/D或D/A变换，V/F、V/T变换以及同类参量的幅度、频率和波形变换），再与已知的标准相比较，最后由显示电路显示经过定标的测量结果。
　主动参量测量过程： 被测信号——>测量电路（交换与比较）——>展示
　被动参量只有在适当的信号下才能表现其性质，如为了测量数字通信系统的的误码率和抖动，必须在系统输入端加上模拟实际话音信号的伪随机测试信号，然后在系统输出端用误码检测设备检测出误码个数，然后用数码管或显示频的方法显示出所需的测量数据。做这样的测量时，一般是把合适的已知特性的电信号加到被测电路或系统，然后对输出信号进行测量，以得到被测系统的特性参量。除了测量电路外，还需要测量信号源作为被测电路或系统的激励信号，测量电路也是起着变换与比较的作用。
　被动参量测量过程： 测量用信号源——>被测电路或系统——>测量电路（输出、交换、比较）——>展示
　在测量过程中中需要有各种信号源，如正弦波、脉冲⁵、噪声、伪随机信号发生器。还需要有信号特性测试仪，如电平表，误码检测器，数字信号分析仪等。在通信测量仪器的使用中，更多地是将信号发生器和信号分析仪结合在仪器以完成专门的测量任务。

二、常用通信测量仪器

由于通信测量范围比较广，从音频测量、射频测量、微波测量一直到关信号的测量，测量任务各不相同，所以需要各种不同的测量仪器。从仪器的功能来看，可以分为通用和专用两大类。

1.通用的通信测量仪器

通用的信号发生器、示波器、电压表、频谱分析仪等电子测量中所用的通用仪器都可以用于通信系统的测量。如数字通信系统中的接口信号和时钟信号需要用示波器和频率计进行测量，微波通信中需要微波信号发生器及频谱分析仪或调制度测量仪测量频谱，用扫频仪测量调制解调器的线性度、群迟延等特性。

2.专用通信测量仪器

由于不同的通信系统工作原理不同，所以测量方法及所用仪器都有很大差别，如光纤数字通信系统和微波数字通信系统由于其传输媒质的不同，其传输终端设备及其中继设备工作方式也截然不同，所以前者要使用专用的光通信检测仪器，后者采用微波测量仪器。为特定的目的面设计的适用于特定测试对象的通信测量
仪器能有效地提高测量效率。
常用的专用通信测量仪器有光时域反射计、光功率计、光万用表、光谱分析仪一类的光通信测量仪器，数字传输分析仪、数字传输损伤测试仪、SDH测试仪一类的数字传输系统测量仪器，数字微波综合测试仪，噪声干扰测试仪，星座图分析仪等微波卫星通信系统测量仪器，移动通信综合测试仪，GSM移动台和基站测试仪等移动通信系统测量仪表，还有规程分析仪、网络测试仪等数据通信测量仪表等等。

相位是与电路结构有关的参数。相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。
相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等。
例如：在函数y=Acos(ωx+φ)中，ωx+φ称为相位，φ称为初相位。 ↩︎
特性阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，等于各处的电压与电流的比值，用V/I表示。在射频电路中，电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动，合称阻抗。电阻是吸收电磁能量的，理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体间介质的介电常数有关，而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。也就是说，射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的，特征阻抗是不变的。
无线通信系统射频器件有两种特性阻抗，一种是50Ω，用于军用微波、GSM、WCDMA等系统；另一种是75Ω，用于有线电视系统，一般应用较少。
测量方法： 测量特性阻抗时，可在电缆的另一端用特性阻抗的等值电阻终接，其测量结果会跟输入信号的频率有关。
测量单位： 特性阻抗的测量单位为欧姆。在高频段频率不断提高时，特性阻抗会渐近于固定值。 ↩︎
群延时是信号通过设备各个分量正弦波幅度经历的延时，因此是各正弦波频率的函数。相位延时，与幅度的延时相对照是各分量正弦波相位经过设备的延时。
群延时是测量时间失真的而有效方法，通过对被测设备相位响应在频率上做差分来计算。群延时是在任意给定频率相位响应斜率的侧量。群延时的变化导致信号失真，就像线性相位的波动导致失真。 ↩︎
误码率（SER：symbol error rate）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。进行特定条件下的误码率研究，对增强无线通信系统性能，改善数据传输质量意义重大。
误码的产生 是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码误码率（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。 ↩︎
脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。 ↩︎