射頻放大器復(fù)調(diào)制性能設(shè)計(jì)

引言
在無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(lèi)型調(diào)制信號(hào)的靈活性，必須能夠在這些調(diào)制類(lèi)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(yǔ)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(lèi)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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。

頻率以10MHz為步長(zhǎng)從400MHz變化到2.5GHz。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中包含211個(gè)頻率測(cè)量步長(zhǎng)（即測(cè)量點(diǎn)），每個(gè)步長(zhǎng)的測(cè)量耗時(shí)約220ms。射頻輸入功率穩(wěn)定在-30dBm。 直流偏壓保持不變。同樣，調(diào)制信號(hào)是8PSK的EDGE信號(hào)，對(duì)每個(gè)頻率步長(zhǎng)取20次測(cè)量結(jié)果的平均值。

EVM與射頻頻率關(guān)系給出了更詳細(xì)的測(cè)量結(jié)果。下面的一幅圖給出了放大器增益與頻率之間的關(guān)系（藍(lán)線），該圖表明在400～500MHz的頻率范圍內(nèi)，增益約為19.5dB，而在高頻下增益大幅度衰減，在2.5GHz下約為10dB。

上面的一幅圖給出了EVM與頻率之間的關(guān)系。該圖表明EVM并不隨頻率而衰減。

而且，分析儀固有的EVM噪聲相比功率放大器的EVM性能一樣好，或者好得多。

這里，分析儀在大約46秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了4220次精確的EVM測(cè)量。

在這個(gè)例子中，DUT在其頻率范圍內(nèi)都能夠提供很好的調(diào)制質(zhì)量。由于EDGE接收器不僅能夠檢測(cè)相位調(diào)制，即使是在幅值下降的情況下也仍然能夠正確解調(diào)信號(hào)。EDGE使用8PSK調(diào)制信號(hào)，表明，它對(duì)EVM下降的敏感性較低。

雖然沒(méi)有給出測(cè)試結(jié)果，但是我們必須在一定的偏壓范圍內(nèi)對(duì)功率放大器的EVM進(jìn)行特征分析，以決定EVM在哪個(gè)位置達(dá)到無(wú)法接受的水平。這對(duì)于將要用于移動(dòng)產(chǎn)品中的器件尤其重要。當(dāng)EVM達(dá)到阻止接收器正確解調(diào)發(fā)射信號(hào)的水平時(shí)，這時(shí)的偏壓值決定了移動(dòng)設(shè)備必須關(guān)機(jī)的電池電壓。產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中必須檢驗(yàn)在規(guī)定的電池低閾值電平之上移動(dòng)設(shè)備是否仍然能夠正常工作。

更復(fù)雜的是測(cè)量OFDM傳輸?shù)腅VM性能，OFDM傳輸實(shí)際上是一組工作在不同頻率下的副載波，每個(gè)副載波傳輸一個(gè)唯一的符號(hào)，而且同時(shí)進(jìn)行傳輸。這種調(diào)制方式將產(chǎn)生多個(gè)星圖，使用多種調(diào)制技術(shù)。在任意時(shí)間點(diǎn)上，根據(jù)傳輸中各個(gè)符號(hào)狀態(tài)的相位，組合的符號(hào)狀態(tài)可能產(chǎn)生非常大或者非常小的功率輸出。這就是設(shè)置功率放大器工作點(diǎn)盡可能減少功率放大器在增益壓縮區(qū)內(nèi)工作的關(guān)鍵所在。正如EVM 與功率之間關(guān)系的分析結(jié)果所示，工作在增益壓縮區(qū)會(huì)嚴(yán)重降低 EVM和調(diào)制質(zhì)量。

SDR的優(yōu)勢(shì)
在SDR中，快速而強(qiáng)大的數(shù)字處理電路取代了傳統(tǒng)的模擬電路。由于可以通過(guò)更改固件而不是硬連線電路來(lái)改變測(cè)量功能，因此這種設(shè)計(jì)更加靈活?；赟DR架構(gòu)的產(chǎn)品也更加小巧、更加可靠，成本更低。

對(duì)測(cè)試成本的影響
除了能夠提高測(cè)量質(zhì)量之外，采用SDR架構(gòu)的測(cè)試儀器還有很多方法可以降低測(cè)試的成本。

首先，測(cè)量時(shí)間縮短。先進(jìn)的數(shù)字架構(gòu)能夠加快測(cè)量速度，而專(zhuān)門(mén)的合成器電路則加快了調(diào)諧時(shí)間。如果VSG和VSA采用相同的架構(gòu)并采用協(xié)同工作的設(shè)計(jì)方式，那么系統(tǒng)集成時(shí)間也隨之縮短了。

同時(shí)，儀器靈活的數(shù)字架構(gòu)意味著可以通過(guò)軟件的方式增加新的測(cè)量功能，而不用改動(dòng)硬件。

結(jié)語(yǔ)
功率放大器和其他元件的相位和幅值失真直接影響著通信質(zhì)量。EVM是衡量通信質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，它的主要優(yōu)勢(shì)在于，測(cè)量速度比BER 測(cè)試更快，相比眼圖或BER測(cè)試能夠提供更多的診斷信息。但是，EVM不是僅僅一個(gè)數(shù)值，而是工作功率大小、工作頻率和直流偏壓的函數(shù)。此外，在OFDM 傳輸中，EVM是由多個(gè)信號(hào)組合而成。因此，必須在一定的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)發(fā)射器（或功率放大器）的性能進(jìn)行特征分析和測(cè)試，以確保設(shè)備能夠使用戶獲得可靠、正常工作。

新一代射頻儀器，例如吉時(shí)利的射頻測(cè)試系列儀器，采用了數(shù)字架構(gòu)和SDR等創(chuàng)新技術(shù)，兼容已有的和新興的高產(chǎn)能傳輸技術(shù)。這使得這類(lèi)儀器能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測(cè)量精度，同時(shí)大大提高了儀器的性價(jià)比，降低了測(cè)試成本。