射頻放大器復(fù)調(diào)制性能分析

引言
在無線通信設(shè)備中，由功率放大器造成的相位和幅值失真對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。在最新的通信系統(tǒng)協(xié)議中，分析功率放大器性能最重要的測(cè)量就是測(cè)量誤差矢量幅值，即EVM。它衡量的是調(diào)制的精度，即功率放大器傳輸由不同相位和幅值的射頻信號(hào)表示的信息的優(yōu)劣。通過EVM測(cè)量能夠觀察到通信鏈路內(nèi)部的情況，是衡量發(fā)射器性能的關(guān)鍵。在接收器一側(cè)，EVM衡量的是接收器解調(diào)傳輸信號(hào)的優(yōu)劣。
隨著各種現(xiàn)有的和新的信號(hào)協(xié)議與調(diào)制方法應(yīng)用于新興的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，新一代射頻測(cè)試儀器需要采用包括軟件無限電（SDR）在內(nèi)的新型數(shù)字架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案去測(cè)試新的信號(hào)傳輸機(jī)制。新的儀器必須具有產(chǎn)生和分析多種類型調(diào)制信號(hào)的靈活性，必須能夠在這些調(diào)制類型之間進(jìn)行快速切換。因此，新的射頻儀器必須能夠快速而精確地測(cè)量多種不同調(diào)制格式的EVM指標(biāo)。本文我們將分析這些新型儀器是如何精確測(cè)量EVM，從而對(duì)射頻放大器性能進(jìn)行充分的特征分析。
射頻功率放大器
給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的通信系統(tǒng)，其中輸入信號(hào)可以是語音或者數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代的大部分系統(tǒng)都把所有的模擬信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字化處理， 因此該通信系統(tǒng)實(shí)際上是全數(shù)字的。

功率放大器是信號(hào)發(fā)射器的最后一級(jí)。這里任何幅值或相位失真都會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)最佳的性能，功率放大器通常盡可能地工作在最大的線性功率輸出下。 在最大的線性輸出功率之上是增益壓縮區(qū)， 當(dāng)功率放大器進(jìn)入此壓縮區(qū)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)幅值和相位失真現(xiàn)象。諸如OFDM之類的調(diào)制方法能夠產(chǎn)生具有較高峰-均比的信號(hào)。這會(huì)迫使設(shè)計(jì)者“補(bǔ)償”功率放大器的平均功率工作點(diǎn)，以確保峰值功率不會(huì)使放大器進(jìn)入增益壓縮區(qū)。對(duì)于多路信號(hào)調(diào)制方法和多路徑外部環(huán)境，確保功率放大器遠(yuǎn)離增益壓縮區(qū)是比較困難的。
但是，功率放大器不是影響EVM的唯一組件。發(fā)射器的調(diào)制模塊具有幅值和相位偏移以及載波泄漏，所有這些因素都會(huì)增大EVM誤差。在接收器端，前置放大器、下變頻器和解調(diào)器都會(huì)影響EVM誤差。

關(guān)于EVM
EVM表征的是調(diào)制精度，是衡量現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。EVM是發(fā)射信號(hào)的理想的測(cè)量分量I（同相位）和Q（正交相位）（稱為基準(zhǔn)信號(hào)“R”）與實(shí)際接收到的測(cè)量信號(hào)“M”的 I和Q分量幅值之間的矢量差。EVM適用于每一個(gè)發(fā)射和接收的符號(hào)。
通過EVM值可以觀察到信號(hào)的質(zhì)量，這是眼圖或BER等測(cè)量性能指標(biāo)無法表征的。EVM與誤碼率成正比，但是它比眼圖或BER測(cè)試的速度更快，并且能夠提供更多可供觀察判斷的信息。

EVM和信噪比（SNR）以及信號(hào)與噪聲加失真比（SNDR）也有直接的關(guān)系。我們可以通過EVM判斷通信系統(tǒng)不同層次引入的實(shí)際誤差，這能夠幫助設(shè)計(jì)者查找某些具體的問題。

EVM的測(cè)量
EVM測(cè)量的建立給出了一種典型的EVM測(cè)量設(shè)置。待測(cè)器件（DUT）是用于發(fā)射符合GSM/EDGE移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的功率放大器。我們以測(cè)試其EDGE調(diào)制的EVM性能。

我們使用一臺(tái)矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）產(chǎn)生具有所需頻率、幅值和EDGE調(diào)制的射頻信號(hào)。該射頻信號(hào)通過待測(cè)的功率放大器進(jìn)行發(fā)送，并在矢量信號(hào)分析儀（VSA）中進(jìn)行解調(diào)，VSA負(fù)責(zé)測(cè)量并計(jì)算EVM。

VSG和VSA的基準(zhǔn)頻率時(shí)鐘連接在一起。這種方式消除了兩臺(tái)儀器之間的相對(duì)頻率誤差，大大加快了測(cè)量速度。這兩臺(tái)儀器通過它們的LAN（LXI）或GPIB端口與一臺(tái)電腦相連。

在這個(gè)例子中，我們將在放大器的工作頻率范圍上和輸入功率的范圍上測(cè)量EVM，以分析功率放大器的EVM是如何受頻率和輸入功率大小的影響的。
通過鼠標(biāo)、分析儀的觸摸板或者電腦遙控的方式，很容易控制新型射頻儀器的用戶界面。
在這個(gè)測(cè)量例子中，頻率始終保持在500MHz，而射頻輸入功率以0.1dB為步長(zhǎng)從-40dBm變化到-20dBm。這樣將有201個(gè)幅值步長(zhǎng)（即測(cè)量點(diǎn)），每個(gè)步長(zhǎng)的測(cè)量需要耗時(shí)200ms。直流偏壓保持不變。調(diào)制信號(hào)是一個(gè)8PSK EDGE信號(hào)，在測(cè)量峰值EVM時(shí)，對(duì)每個(gè)幅值步長(zhǎng)取20次測(cè)量結(jié)果的平均值。

用矢量信號(hào)分析儀測(cè)試EVM與輸入功率關(guān)系給出了詳細(xì)的測(cè)量結(jié)果。其中下面的一幅圖表示放大器增益與輸入功率的關(guān)系（藍(lán)線），該圖顯示標(biāo)稱增益約為19.5dB。它在輸入功率為-28~-30dBm時(shí)開始下降。放大器增益在輸入功率為-23.5dBm時(shí)降低1dB，在-20dBm時(shí)降低3dB。

上面的一幅圖表示EVM與功率的關(guān)系。標(biāo)識(shí)了“失真線（Distorted Plot）”的紅線是放大器的EVM，顯然，隨著功率放大器進(jìn)入增益壓縮區(qū)，EVM快速下降。在線性區(qū)中EVM只有不到1%。在1dB的壓縮點(diǎn)EVM增長(zhǎng)到20%左右，在3dB的壓縮點(diǎn)EVM增長(zhǎng)到40%以上。

上面一幅圖還顯示了其他一些信息。標(biāo)識(shí)了“基準(zhǔn)線（Baseline Plot）”的綠線是分析儀的固有EVM噪聲。它的EVM約為1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于所測(cè)壓縮區(qū)中功率放大器的EVM。

在這個(gè)測(cè)量例子中，分析儀在大約40秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了4020次精確的EVM測(cè)量。