用矢量信號分析儀檢測非線性失真(一)

移動通信網(wǎng)絡所用功率放大器的一個關鍵性能參數(shù)為非線性失真。但過度的非線性失真會使誤碼率(BER)提高，導致移動通信網(wǎng)絡中所傳輸?shù)恼Z音及數(shù)據(jù)信號質(zhì)量下降。幸運的是，該矢量信號分析儀不僅可以用于精確地檢測矢量及標量的調(diào)制誤差，如誤差向量幅度(EVM)特性，還可用于評估放大器及系統(tǒng)失真特性。因分析儀進行有效測量時亦無需任何特殊檢測環(huán)境或檢測信號，該分析儀可在移動通信網(wǎng)絡正常運行的情況下分析來自基站的沖擊信號。

通常依賴量程可調(diào)的伏特計或頻譜分析儀，采用雙音或多音方法1來確定被測器件(DUT)的壓縮點。網(wǎng)絡分析儀采用功率掃描作類似分析。這兩種方法中所用的信號皆為測試信號或是僅僅優(yōu)化用于頻譜帶寬或統(tǒng)計分布的信號，并非實際工作環(huán)境下的信號。

可以利用矢量信號分析儀來測量標量、矢量調(diào)制參數(shù)及數(shù)字調(diào)制移動無線信號的調(diào)制誤差。按現(xiàn)代的理念，因在常規(guī)的測量過程中已收集了所有必要的數(shù)據(jù)，這些設備也應可以測量及評估線性誤差。實際上，只需要一套標準的測試設備，并不需要附加的測量設備或特殊測試信號。

圖1所示為一組典型的、使用矢量信號分析儀進行測量的測試配置。帶同相、正交調(diào)制能力的信號發(fā)生器產(chǎn)生一個RF移動無線信號，并將其送至被測器件(DUT，如移動通信輸出放大器)的輸入端。放大器的輸出端通過衰減器(避免儀器工作范圍外的高壓)與矢量信號分析儀(如RohdeSchwarz公司的FSQ-K70)輸入端相連。甚至可用這一組設備直接測量基站的RF輸出信號。

圖2為矢量信號分析儀的框圖。經(jīng)數(shù)字調(diào)制的RF輸入信號通過RF及中頻級(模塊1、2)前往模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端(模塊3)。IF信號被取樣，并與一復雜基帶信號(模塊4)數(shù)字混頻，經(jīng)數(shù)字濾波(模塊5)后存儲于隨機存取內(nèi)存RAM(模塊6)中。

數(shù)字信號處理器DSP|0">DSP對基帶信號解調(diào)至位級(圖2中模塊7)，并產(chǎn)生一個與非失真發(fā)射信號相應的基準信號。信號分析儀僅需了解調(diào)制結構及適當濾波(模塊8)。在對中心頻率偏移、相位及符號定時(圖2，同步模塊9)校準后，被測信號的幅度和相位與基準信號相適應，以取得EVM的均方根值(RMS|0">RMS)。在最后一級中，將被測信號與參考信號進行比較(圖2模塊11)。在此時對典型調(diào)制誤差(如與時間對應的幅度誤差，與時間對應的相位誤差)進行計算。這些信號用于表示矢量及星座圖或用于在以后計算失真特性。

圖3(a)所示為經(jīng)上升余弦濾波的未失真的16態(tài)正交振幅調(diào)制信號的理想星座圖。圖3(b)所示為純幅度失真放大器的輸出信號。兩圖中都標識了復雜基帶信號的矢量圖。實際的星座點(圖3(b))在其理想位置的附近。柵格的曲率一定程度上表示了非線性、基于幅度調(diào)制的幅度失真。圖3 (c)所示為幅度-時間特性。理想信號為藍色曲線，實際信號為紅色曲線。為便于識別，用正方形或圓標識符號時間。該理想信號的三個幅度等級用R₁至R3的水平線表示，而測量信號則用D1至D3的水平線表示。

盡管理想信號與實際信號在低電平段其本相吻合，但隨著電平的增大，偏離加大。若用x/y坐標來表示各電平上的失真信號取樣與其對應的理想信號取樣，則所得結果便為調(diào)制―振幅特性。為了更好地判定，該電平段也可以表示為直線。特性曲線與對數(shù)線(線性增益)的偏離，即為放大器非線性失真的量度[見Figs.3(a)及3(b)]。

實際上，可用理想信號與實際信號的信號比或用理想信號與實際信號間差值信號的對數(shù)值來描述失真特性。若用x/y坐標描繪每個信號差值樣本與理想信號，則所得結果即為AM/AM失真特性(基于振幅的振幅失真)。將所有的測試點標入特性曲線中。這樣，特性曲線與水平0-dB線間的偏離即為非線性失真量，見[圖3(e)和圖3(f)]。將相位誤差看作AM/PM特性曲線理想幅度的函數(shù)(基于振幅的相位失真)，從而可得到相位誤差。

在分析儀工作過程中，用解調(diào)位（比特）重建理想信號。這樣就無需知道之前的發(fā)射數(shù)據(jù)序列或理想I/Q取樣。根據(jù)以上所述方法，通過比較理想信號與測量信號，即可確定實際特性。這使得放大器可在以后的精確工作模式上被測量。

為計算調(diào)制誤差，分析儀通過將符號時間的EVM的有效值(RMS)最小化來適配測量信號。有關這類的適配，在常見的移動無線標準(如EDGE)中有具體描述。

作者：Hagen Eckert