您的功率量測準確嗎？剖析 VBW、波峰因數與訊號壓縮的隱藏陷阱
由 Boonton 舉辦的「射頻與微波功率量測原理」線上研討會，是強化您對射頻與微波功率量測基礎知識的絕佳資源，這些量測技術對於設計與技術人員至關重要，以滿足現代高性能通訊與雷達系統的嚴格標準；該線上研討會首先探討採用二極體偵測器的測試儀器如何偵測射頻功率，內容包含對二極體三個操作區間的回顧，以及真實平均功率感測器與峰值功率感測器之間的區別，在選擇二極體感測器以測試特定裝置或系統的性能時，通常會使用各種量測方法、術語和參數，簡報中定義了關鍵的射頻與微波功率量測及其相關指標，例如平均功率、峰值功率、視訊頻寬 (Video Bandwidth) 與上升時間。
Boonton RTP 系列即時功率感測器搭載一種稱為即時功率處理 (Real-time Power Processing, RTPP) 的獨特數位訊號處理方法，發掘 RTPP 與傳統技術相比的優勢，以及 Boonton 感測器如何與軟體協同運作，長時間處理幾乎無限數量的連續封包，以捕捉關鍵的波形事件，研討會最後回顧了脈衝功率量測、如何透過時間閘控 (time gating) 專注於特定的脈衝部分，以及波峰因數 (crest factor) 與統計量測對於判定元件線性度的重要性。
二極體感測器偵測原理
當使用二極體感測器搭配功率計或獨立的 USB 射頻功率感測器時，感測器的二極體（或二極體對）會偵測傳送到精密負載的射頻功率，該二極體直接執行交流對直流 (AC to DC) 的轉換，以產生一個直流電壓功率讀值，這個讀值由功率計進行量測與標定，最終輸出一筆功率讀數，直流電壓與所量測功率之間的關係，取決於二極體的操作區間，通常可分為三個不同的區域。
簡報中為射頻功率感測器的基本偵測電路，其運作原理如下：來自待測物 (DUT) 的射頻訊號，經由 50Ω 端接電阻 (RTERM) 實現阻抗匹配後，會由感測器內部的二極體對 (diode pair) 進行整流，執行核心的交流對直流 (AC-DC) 轉換；轉換後的訊號再透過電容平滑濾波，產生一個穩定的直流輸出電壓 VOUT；最終，此電壓與實際輸入功率的換算關係，會取決於二極體當下所處的操作區間，進而影響功率量測的準確性。
二極體操作區間
在功率位準低於約 -20 dBm 時，會進入「平方律 (square-law)」區間，此時二極體產生的直流電壓輸出，與所施加射頻電壓的平方成高度正比，這個區域具有調變獨立性，表示無論存在何種調變，其平均直流輸出電壓都將與平均射頻功率成正比，因此，只要峰值封包功率始終保持在二極體的平方律區間內，二極體感測器便能準確量測調變訊號的平均功率，設計為僅在此區間運作的感測器，通常被稱為真實平均功率感測器或 RMS 功率感測器。
「線性 (linear)」區間則出現在功率位準高於 0 dBm 的情況，此時直流輸出電壓與射頻電壓成正比；而在大約 -20 dBm 至 0 dBm 的功率範圍內，則是二極體感測器的「轉態 (transition)」區間，在此區間內，必須對二極體的行為進行精細的特性分析，才能產生準確的功率量測值。
簡報中為二極體偵測器的輸出電壓 (Vout) 與輸入射頻功率 (dBm) 之間的非線性關係，並定義出三個關鍵操作區間：
- 平方律區間 (Square-Law Region):
在約 -20 dBm 的低功率範圍，輸出電壓與輸入功率的平方成正比，具備調變獨立性，是 RMS 真實平均功率感測器的運作基礎。 - 線性區間 (Linear Region):
在約 0 dBm 以上的高功率範圍，輸出電壓與輸入射頻電壓成正比。 - 轉態區間 (Transition Region):
介於兩者之間，其非線性響應必須經過精密的演算法校正，才能確保最終量測讀值的準確度。
選擇合適的二極體感測器
二極體感測器的設計可能專注於一個或多個操作區間，真實平均功率感測器或 RMS 感測器會將功率位準維持在平方律區間，而採用單一二極體對的感測器或峰值感測器則會運用到全部三個區間，為您與您的應用選擇正確的二極體感測器，完全取決於訊號類型以及您確切想要量測的項目，從最基本的層面來說，當只關心平均功率時，應使用平均功率感測器，而當期望能重現波形，並對整個波形或部分波形進行峰值或平均功率量測時，則應使用峰值感測器。
簡報中說明如何根據量測需求，選擇合適的功率感測器類型：
- 平均功率感測器 (Average Sensor):
當您的量測目標僅為訊號的整體平均功率時，應選用此類型，這類感測器專為在二極體的「平方律區間」運作而設計，以提供最準確的真實平均值 (RMS)。 - 峰值功率感測器 (Peak Sensor):
當您需要分析訊號的動態行為時，則必須使用峰值感測器，它能運用二極體的所有三個操作區間，以重現訊號波形，並對整個波形或特定部分（如脈衝）進行峰值與平均功率的詳細量測。
關鍵射頻功率量測指標
使用二極體感測器量測脈衝訊號的射頻功率時，您必須確實了解所關注的量測類型為何，有鑑於此，讓我們先回顧一些關鍵的射頻功率量測指標。
封包功率 (Envelope power) 是一個連續函數，它描繪了訊號因調變或失真隨時間變化的振幅，此振幅是在射頻載波訊號的一個或數個週期內進行平均的結果，許多人將此量測稱為峰值功率，然而，也有些人會使用相同的術語（峰值功率）來指稱封包功率的最高點，我們將此單一值稱為峰值封包功率 (Peak Envelope Power, PEP)。
平均功率也可能有多種定義，一方面，它可以指整個波形或一個脈衝重複間隔 (Pulse Repetition Interval, PRI) 內的平均功率，而另一方面，有些人會用這個詞來描述特定訊號脈衝或封包的平均功率，我們將其稱為脈衝平均功率 (pulse average power)，這些術語及其正確使用方式，也決定了相關計算的準確性，舉例來說，波峰因數是調變訊號的一個重要參數，其定義為 PEP 與整個 PRI 的平均功率或脈衝平均功率的比值。
由於峰值功率感測器能追蹤訊號的波形，因此可用於重現訊號波形，結合觸發及/或時間閘控功能，峰值功率感測器能夠對波形的特定部分進行量測，例如脈衝平均功率，雖然平均功率感測器通常僅量測整個波形的平均功率，但經過一些計算後，它們仍然可以得到脈衝平均功率，首先，使用者必須透過計算脈衝寬度與 PRI 的比值來確定工作週期 (duty cycle)，利用這個資訊，再將平均功率除以工作週期，即可計算出脈衝平均功率。
簡報中詳細定義了在量測脈衝或叢發 (bursted) 射頻訊號時，幾項關鍵卻容易混淆的功率指標，明確區分了三種不同的功率定義：
- 峰值封包功率 (Peak Envelope Power):
訊號在脈衝期間達到的瞬時功率最高點。 - 脈衝平均功率 (Pulse Average Power):
僅在脈衝開啟 (On-Time) 期間內的平均功率值。 - 平均功率 (Average Power):
在一個完整的脈衝重複間隔 (Pulse Repetition Interval, PRI) 內，涵蓋了開啟與關閉時間的整體平均功率。
精確理解這些參數的差異，是正確計算如波峰因數 (Crest Factor) 與工作週期 (Duty Cycle) 等衍生指標的基礎。
視訊頻寬 (VBW) 的重要性
二極體感測器能否準確捕捉峰值或封包功率，取決於其反應速度是否等於或快於調變訊號的振幅變化速率，一個用來衡量感測器是否具備合適反應速度的常用指標，即為人所熟知的視訊頻寬 (Video Bandwidth, VBW)。
一個VBW不足的峰值感測器將無法跟上並真實地追蹤波形，導致在封包功率、PEP，甚至是平均功率的量測上產生誤差，缺乏必要 VBW 的測試儀器，通常迫使人員以平均功率讀值替代峰值功率量測，這種折衷作法會導致波形細節的遺失，並可能掩蓋諸如訊號峰值被壓縮及其所導致的訊號失真等問題。
VBW 的重要性尤其突顯，考量到 Wi-Fi 6（或 802.11ax）與 5G 分別運用高達 160 MHz 與 100 MHz 的通道頻寬，Boonton 是提供具備足夠 VBW 的射頻功率計與 USB 功率感測器的功率量測，能夠有效地捕捉 Wi-Fi 6 與 5G 訊號的峰值功率，其 RTP5006 即時 USB 峰值功率感測器擁有 195 MHz 的 VBW，而 RTP5008 感測器則具備 165 MHz 的 VBW，兩者皆能準確地特性分析具有寬通道的 Wi-Fi 與 5G 訊號。
總體而言，峰值感測器在平滑電容兩端使用一個低阻抗負載，以便在射頻振幅下降時能極快地放電，這一點，再結合一個非常小的平滑電容，使得峰值功率感測器能夠實現寬廣的 VBW 與快速的上升時間。
簡報中說明視訊頻寬 (Video Bandwidth, VBW) 對於精準功率量測的決定性影響；左圖顯示，當功率感測器的 VBW 不足時（綠色曲線），其反應速度將跟不上實際訊號（藍色曲線）的快速功率變化，導致量測到的波形上升/下降邊緣變得平緩，無法真實反映訊號的峰值封包功率；這種失真不僅會造成量測誤差，更可能掩蓋訊號壓縮、過衝等關鍵問題，對於 Wi-Fi 6 與 5G 等現代高速寬頻訊號，選用具備足夠 VBW 的峰值功率感測器，是確保特性分析準確性的前提。
上升時間 (Rise Time)
上升時間是指訊號從近端線（脈衝振幅的 10%）的一個指定低值，變化到遠端線（脈衝振幅的 90%）的一個指定高值所需的時間，VBW 與上升時間成反比關係，一個經驗法則的關係式為：頻寬 ≈ 0.35 / 偵測電路的上升時間。
簡報中定義了「上升時間 (Rise Time)」此一關鍵的時域參數，其標準定義為訊號振幅從最終穩定值的 10% 爬升至 90% 所需要的時間；如圖下方公式所示，偵測電路的上升時間與其視訊頻寬 (VBW) 之間存在著明確的反比關係，這條經驗法則是電子量測中的重要概念，它意味著一個更快的上升時間（數值更小）等同於一個更寬的 VBW，反之亦然，因此，要準確捕捉高速訊號的陡峭邊緣，功率感測器本身必須具備極快的上升時間與極寬的視訊頻寬。
Boonton RTPP 技術
Boonton RTP5000 系列，以及 RTP4000 系列即時真實平均功率感測器，其內建的數位訊號處理器 (DSP) 包含一種稱為即時功率處理 (Real-time Power Processing, RTPP) 的獨特處理方法。
傳統的訊號處理方法是依序執行各個處理步驟，包括觸發調整、對每個樣本進行線性度校正、單位轉換與標定，然後在顯示器上建立波形軌跡，在這些序列步驟進行的過程中，樣本擷取會被暫停，這表示新的量測週期必須等到所有步驟完成後才能開始，結果就是，傳統的功率感測器在觸發掃描之間可能存在巨大的時間間隔，通常長達數十甚至數百微秒。
Boonton 的 RTPP 透過平行執行處理步驟來縮短樣本擷取與處理的總時間，處理從觸發後立即開始，而非等到擷取週期結束，這消除了為了處理軌跡而暫停擷取的需要，因此，RTPP 提供了無間隙的訊號擷取，幾乎能保證捕捉到間歇性的訊號現象，例如瞬態、訊號中斷或干擾，而這些現象通常會被傳統測試系統的延遲所遺漏。
簡報中比較了傳統序列式訊號處理與 Boonton 的即時功率處理 (RTPP) 技術之間的根本差異：
- 傳統處理 (上圖):
採取「先擷取、後處理」的序列式步驟，在儀器進行運算與校正的「處理」期間，訊號擷取會完全暫停，這將產生巨大的量測時間間隙 (Gaps)，導致像圖中標示的「錯失事件 (MISSED EVENTS)」一樣，遺漏掉關鍵的瞬態或異常訊號。 - RTPP 技術 (下圖):
採用先進的平行處理架構，訊號的「擷取」與「處理」可以重疊運作，這消除了量測的盲點或死角，實現了無間隙 (gap-free) 的連續訊號分析，確保任何不可預測的突發或干擾事件都能被完整捕捉與分析。
RTP 量測緩衝模式應用程式
利用 Boonton 即時 USB 功率感測器的 RTPP 技術，RTP 量測緩衝模式應用程式 (RTP Measurement Buffer Mode Application) 是一款免費的軟體工具，它能控制一個或多個感測器，並在使用者定義的關注區間內分析輸入訊號，針對每個脈衝、叢發或事件，系統會即時回傳一筆單一的資料記錄，其中僅包含最小、平均和最大功率，以及開始時間和封包持續時間，RTP 量測緩衝模式應用程式會捨棄所需區間之外所有不相關的資訊，這表示該工具能夠長時間處理幾乎無限數量的連續封包，以捕捉關鍵的波形事件。
簡報中展示了 RTP 量測緩衝模式應用程式 (RTP Measurement Buffer Mode Application)，一款專為長時間訊號分析與捕捉罕見事件而設計的強大軟體工具；該應用程式採用一種智慧型資料擷取與處理模式，它能對連續的脈衝串流進行即時分析，但並非儲存龐大的原始波形資料，而是針對使用者感興趣的每一個脈衝事件，僅擷取並記錄其關鍵參數，如起始時間、持續時間、區間平均/最小/最大功率等，並以表格形式回傳。
這種高效的處理方式，使其能夠在極長的時間內，分析幾乎無限數量的連續封包，是進行統計分析或確保捕捉到任何關鍵、偶發波形事件的理想解決方案。
自動化脈衝量測功能
為了簡化測試，Boonton 感測器提供自動化脈衝量測功能，可計算並顯示 16 種常見的關注功率與時序參數，這些自動脈衝量測包括：
- 上升時間 (rise time)
- 下降時間 (fall time)
- 脈衝寬度 (pulse width)
- 關閉時間 (off time)
- 週期 (period)
- 脈衝重複頻率 (pulse repetition frequency)
- 工作週期 (duty cycle)
- 脈衝峰值 (pulse peak)
- 脈衝過衝 (pulse overshoot)
- 脈衝平均功率 (pulse average)
- 波形平均功率 (waveform average)
- 頂部準位功率 (top level power)
- 下垂 (droop)
- 底部準位功率 (bottom level power)
- 邊緣延遲 (edge delay)
- 通道間脈衝邊緣偏移 (pulse edge skew between channels)。
簡報中說明了完整分析一個脈衝 (pulsed) 或叢發 (bursted) 訊號時，所需要量測的各項關鍵參數；左圖詳細定義了描述脈衝形狀與品質的重要指標，例如：
- 上升/下降時間 (Rise/Fall Time): 評估邊緣的陡峭程度。
- 過衝 (Overshoot): 衡量訊號上緣的穩定性。
- 下垂 (Droop): 描述脈衝頂部的平坦度。
- 脈衝寬度 (Pulse Width): 訊號的持續時間。
為了取代繁瑣且耗時的手動操作，Boonton 的功率量測儀器與軟體內建了如右方列表所示的 16 項自動化脈衝量測功能，能夠即時計算並顯示所有關鍵的功率與時序參數，大幅提升複雜訊號的分析效率與結果可靠性。
運用時間閘控聚焦量測
Boonton 感測器亦可依據使用者設定的各種參數，將量測焦點集中在脈衝的特定部分，在鎖定個別關注區域之前，使用者必須考慮到調變訊號的類雜訊行為，在範例的脈衝訊號中，一個雜訊尖峰已超過了閘控閾值，若不採取預防措施，這個雜訊尖峰將會錯誤地觸發量測開始，借助 Boonton 的時間閘控功能，使用者可以設定一個起始限定器 (start qualifier)，指定一個持續時間作為必要條件事件，從而有效地消除短暫、錯誤的雜訊尖峰對結果的干擾，而在期望的脈衝內部，調變的低谷可能會降到閘控閾值以下，從而過早地終止量測，透過設定一個結束限定器 (end qualifier)，訊號必須在閘控閾值以下維持特定的時間長度，量測視窗才會關閉。
現在，起始與結束限定器確保了功率量測將在目標事件內進行，使用者便可以開始將範圍縮小到感興趣的部分，Boonton 軟體包含一個稱為起始延遲 (start delay) 的參數，它實質上是將閘控區間在時間上向前移動，從而排除波形的某些元素，例如：脈衝的上升邊緣或 Wi-Fi 訊號的前導碼 (preamble)，同樣地，也可以使用結束限定器來排除脈衝的下降邊緣或尾隨部分，提早關閉量測視窗，雖然閘控限定器與延遲選項能有效地實現脈衝時間閘控，但使用者也可以透過在軟體中設定各種標記來達成量測聚焦。
簡報中詳細說明了封包時間閘控 (Packet Time Gating) 功能，這是一項用於在複雜或雜訊背景的訊號中，精準定義量測區間的強大技術，其運作包含兩個關鍵部分：
- 限定器 (Qualifiers):
為了解決傳統功率臨界值觸發的不可靠性，可設定「起始限定器 (Start Qual)」與「結束限定器 (End Qual)」，前者要求訊號必須在臨界值之上維持一段時間才能啟動量測，能有效忽略短暫的雜訊尖峰 (Noise Spike)；後者則能避免因訊號本身的調變低谷 (Modulation Dips) 而錯誤地中斷量測。 - 延遲 (Delays):
在閘控被穩定觸發後，使用者可透過「起始/結束延遲 (Start/End Delay)」來精確平移量測視窗的起點與終點，以便排除訊號的前導碼 (preamble) 或其他部分，僅針對封包中感興趣的特定區域進行功率分析。
使用波峰因數與 CCDF 評估線性度
回顧先前所述，像 OFDM 這類的數位調變方法在時域中具有類雜訊的外觀，導致如平均功率等典型量測不足以進行完整的特性分析，峰值功率量測是進行分析的更有用工具，並能夠計算另一個稱為波峰因數 (crest factor) 或峰均功率比 (PAPR) 的重要指標，波峰因數描述了波形峰值振幅與其平均功率（在此案例中為脈衝平均功率）之間的關係，它闡明了波形峰值的劇烈程度。
為確保元件的線性操作，應考慮量測訊號的波峰因數，因為它有助於揭露訊號壓縮的情形，舉例來說，為了判定一個放大器的線性性能，工程師可以使用峰值功率感測器，量測通過該主動元件（例如放大器）的調變波形其輸入與輸出訊號的波峰因數，如第一個波峰因數圖所示，輸入與輸出的波峰因數幾乎匹配，這表示該元件的運作相當線性，然而，當放大器的輸入功率增加時，輸出的波峰因數下降，而輸入的波峰因數保持不變，這種波峰因數量測值的差距，顯示出非線性性能，可能導致通訊通道的動態範圍縮小並引發頻譜再生 (spectral regrowth)。
簡報中說明如何利用波峰因數 (Crest Factor)，或稱峰均功率比 (PAPR)，來精準評估放大器等元件的線性度，這對於分析如 OFDM 等類雜訊的複雜調變訊號尤其重要；測試方法是使用功率感測器，同步量測並比較待測物 (DUT) 輸入端與輸出端的波峰因數變化：
- 線性操作 (左圖):
在低功率輸入下，DUT 處於線性區，其輸入 (CF In: 11.0 dB) 與輸出 (CF Out: 10.8 dB) 的波峰因數幾乎相等，代表訊號的峰值特性被完整地還原。 - 非線性壓縮 (右圖):
當輸入功率增加，DUT 開始進入非線性區，其輸出訊號的峰值會遭到削平或壓縮，這導致輸出波峰因數顯著下降 (CF Out: 8.0 dB)，這個差距明確地揭示了元件的非線性失真。
波峰因數是一個單一值（最大波峰因數），單憑它本身往往無法說明完整情況，這時就需要互補累積分布函數 (CCDF) 的輔助，這是一種統計描述，顯示特定波峰因數發生的頻率。
在下面簡報範例CCDF 圖中，放大器的輸入功率以黃色表示，而輸出功率以藍色表示，對於 CCDF 圖，使用者通常會有一個對其應用很重要的發生率，該圖選擇了一個常用的 0.01% 的發生率，表示該圖將顯示在 0.01% 或更長的時間內，輸入與輸出訊號的最大波峰因數，此 CCDF 圖驗證了線性操作，因為在 99.9% 的時間裡，輸入與輸出的波峰因數幾乎完全相同。透過增加放大器的輸入功率，輸出的波峰因數量測值隨後減少了 2 dB，如 CH2 曲線向左移動所示，然而，輸入的波峰因數曲線保持不變，因此，通道之間日益增大的差距，標誌著壓縮與非線性行為。
CCDF 圖可以揭示訊號壓縮的真實程度，與經常使用的、追蹤不同功率位準下增益變化的技術相比，而後者可能錯誤地僅顯示功率的輕微下降，這一點反映在 CCDF 圖下方的補充資訊中，儘管 CCDF 圖顯示輸出波峰因數減少了近 2 dB，但放大器增益僅減少了 0.2 dB，掩蓋了壓縮的真實幅度。
結論
準確的功率量測仍然是設計與技術人員最關鍵的指標之一，總結來說，此簡報涵蓋了射頻功率偵測的基礎知識、關鍵的量測與指標、Boonton 的 RTPP 技術與波形分析軟體，以及波峰因數與 CCDF 在評估線性度方面的價值，所有這些主題對於確定現今高性能通訊與雷達系統的功率量測都至關重要。