使用先進(jìn)的信號(hào)分析技術(shù)確定WLAN發(fā)射機(jī)降級(jí)的原因

摘    要：本文舉例說明了設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證工程師如何利用誤差向量幅度(EVM)、頻率誤差、相位噪聲及發(fā)射功率包絡(luò)來辯識(shí)WLAN發(fā)射機(jī)性能降級(jí)的原因。特別講述了發(fā)現(xiàn)并化解幅度、相位、I與Q信道之間的群延遲失衡、相位噪聲、寄生信號(hào)、瞬態(tài)效應(yīng)、信號(hào)壓縮對(duì)發(fā)射機(jī)性能的影響時(shí)所采用的一些技術(shù)。
802.11/a/b/g WLAN發(fā)射機(jī)的性能會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。在當(dāng)今WLAN產(chǎn)品市場(chǎng)空間擁擠、利潤(rùn)微薄的情況下，提高質(zhì)量無疑會(huì)使產(chǎn)品更具特色并增加其銷售量，還能減少退貨并提高生產(chǎn)效益以及收益率。但是，發(fā)射機(jī)的性能很容易受到RF部分的設(shè)計(jì)選擇、電路板布局及其實(shí)現(xiàn)方式、元件的變化及更替等因素的影響，并且會(huì)由于802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)所要求的調(diào)制類型和頻帶的不同而變得更加復(fù)雜。
具有頻譜分析儀、向量信號(hào)分析儀(VSA)及功率表(帶信號(hào)分析軟件，如LitePoint的IQview 802.11a/b/g WLAN 測(cè)量方法及其相關(guān)的IQsignal軟件包)能力的測(cè)試儀是分析大多數(shù)WLAN 發(fā)射機(jī)問題的必備工具。利用頻譜分析儀與功率表能力可以測(cè)量頻率偏差、瞬態(tài)信號(hào)、相位噪聲、同帶信號(hào)傳輸功率、相鄰信道功率及其它參數(shù)，而VSA能力則可以將特定的信號(hào)解調(diào)成正交分量，因此可將復(fù)雜的信號(hào)顯示為具有幅度和相位特性的向量或者顯示其完整的信號(hào)星座圖。信號(hào)分析軟件可隨之簡(jiǎn)化測(cè)量過程并同時(shí)提供性能測(cè)試的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果。   
利用這些工具，可以在調(diào)制域、時(shí)域及頻域進(jìn)行測(cè)量，在設(shè)計(jì)過程與生產(chǎn)期間評(píng)估發(fā)射機(jī)性能并查找其故障。此外，由于允許測(cè)量一個(gè)簡(jiǎn)單方便的品質(zhì)因數(shù)——誤差向量幅度(EVM)，將表征發(fā)射RF信號(hào)的許多參數(shù)簡(jiǎn)化為單一參數(shù)，因此這些工具簡(jiǎn)化了802.11a/b/g所需的復(fù)雜波形分析。在生產(chǎn)線測(cè)試中，EVM可作為合格與否的標(biāo)尺以簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)的質(zhì)量保證并提高測(cè)試吞吐量，而在設(shè)計(jì)過程中，EVM則是一個(gè)很有價(jià)值的總體信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)。

誤差向量幅度
誤差向量幅度是測(cè)量調(diào)制精度與發(fā)射機(jī)性能的一個(gè)直接測(cè)量指標(biāo)。從質(zhì)量上講，EVM 反映了誤差向量，它定義為信號(hào)星座圖中測(cè)量信號(hào)與理想無差錯(cuò)點(diǎn)之間的差別。測(cè)量信號(hào)在幅度和相位方面均不同于理想信號(hào)。完全確定不變的信號(hào)惡化只是使信號(hào)偏離了其理想點(diǎn)。但在存在碼間串?dāng)_和噪聲的情況下，重復(fù)測(cè)量結(jié)果明顯地顯示出測(cè)量信號(hào)圍繞理想信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)變化，這種隨機(jī)變化現(xiàn)象定義為圍繞理想信號(hào)星座圖點(diǎn)的“誤差云”。
802.11/a/b/g標(biāo)準(zhǔn)采用EVM來描述發(fā)射機(jī)的總調(diào)制精度，并給出如何測(cè)量802.11b和802.11g的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)以及802.11a/g的OFDM信號(hào)EVM的綜合方法。 比如，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)采用BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM OFDM信號(hào)。該標(biāo)準(zhǔn)通過在構(gòu)成符號(hào)的所有OFDM數(shù)據(jù)副載波(subcarrier)中以及構(gòu)成幀的所有OFDM符號(hào)(每幀最少有16個(gè)符號(hào))中進(jìn)行信號(hào)抽樣，然后用信號(hào)星座圖點(diǎn)的平均功率進(jìn)行歸一化，并求出至少20幀的平均值來定義這些信號(hào)的EVM 。這樣就可以確定各特定802.11a/b/g模式的單一EVM值。
對(duì)于采用低階調(diào)制類型的802.11b 來說，標(biāo)準(zhǔn)允許相對(duì)較高的EVM值，而對(duì)于采用高階調(diào)制類型的802.11a/g 來說，則規(guī)定了更嚴(yán)格的(較低的)EVM值。標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)不同的調(diào)制技術(shù)規(guī)定了不同的EVM計(jì)算方法——對(duì)于802.11b/g的相對(duì)低數(shù)據(jù)速率直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，按峰值計(jì)算EVM，而對(duì)于802.11a/g 的高數(shù)據(jù)速率OFDM信號(hào)，則計(jì)算多載波與多符號(hào)的EVM平均值。從直觀上講，發(fā)射的EVM 必須足夠小，以使失真信號(hào)不能靠近星座圖的判定邊界，特別是在存在加性噪聲以及有其它信道和接收機(jī)影響的情況下。高數(shù)據(jù)速率的802.11a/g采用高階調(diào)制技術(shù)，因此更容易受到發(fā)射信號(hào)減損的影響——給定的EVM值對(duì)16-QAM或64-QAM信號(hào)的影響程度將超過QPSK或CCK信號(hào)，因?yàn)樗鼈兊呐袥Q區(qū)域更小。

典型的發(fā)射機(jī)減損
在大多數(shù)802.11a/b/g 的應(yīng)用中，WLAN基帶處理器都會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，在片內(nèi)或片外的D/A轉(zhuǎn)換之后，提供I(同相)與Q(正交)的模擬輸出信號(hào)，由隨后的RF部分進(jìn)行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發(fā)射信號(hào)減損的根源，減損主要是由于經(jīng)PCB設(shè)備和RF電路的信號(hào)通道的模擬變化造成的。元件變化、PCB印刷線路布局缺陷、晶體振蕩器與頻率合成器的不穩(wěn)定性、功率放大器的失真以及寄生信號(hào)的存在都會(huì)促使發(fā)射信號(hào)的惡化。
EVM能表達(dá)多數(shù)不同的信號(hào)失真效應(yīng)。較差的EVM測(cè)量結(jié)果本身就說明了問題，特別是在與其它參數(shù)的測(cè)量結(jié)果組合使用時(shí)，可有助于確定下述發(fā)射信號(hào)減損：I/Q失衡(幅度、相位、群延遲)；相位噪聲；寄生信號(hào)與瞬態(tài)效應(yīng)；信號(hào)壓縮效應(yīng)。

I/Q失衡
I 與Q之間的失衡或失配會(huì)直接影響調(diào)制精度。沿PCB印刷線路上的I 與Q信號(hào)通道產(chǎn)生的寄生電容與寄生電感的差異會(huì)導(dǎo)致I/Q失衡，就像元件變化甚至基帶與RF IC設(shè)計(jì)變更造成的I/Q失衡那樣。
由于幅度與相位失衡，星座圖會(huì)有些失真與模糊不清，而不是一些清晰定義的點(diǎn)。在本例中，I/Q 失衡的影響導(dǎo)致了大約-30dB的EVM值，而該值正好與單獨(dú)測(cè)量的每個(gè)副載波的EVM值基本相同。由于調(diào)制導(dǎo)頻信號(hào)的數(shù)據(jù)之間存在固定的關(guān)系，因此其星座點(diǎn)看起來比數(shù)據(jù)星座點(diǎn)更清晰，并且提供一種定性評(píng)估I/Q 失衡影響的簡(jiǎn)單方法。I/Q幅度失配使導(dǎo)頻信號(hào)大都散布在I軸，而I/Q相位失配則使導(dǎo)頻信號(hào)大都散布在Q軸 。
除了幅度與相位失衡之外，I與Q信號(hào)之間不同的群延遲會(huì)對(duì)調(diào)制精度帶來不良影響。這種失衡通常與基帶I與Q信號(hào)的PCB布局以及不同的印刷線路長(zhǎng)度有關(guān)。星座圖點(diǎn)將再次顯示出失真，但群延遲差異的影響取決于頻率,對(duì)每個(gè)OFDM 副載波的影響也不同。

相位噪聲
當(dāng)信號(hào)與本振(LO)信號(hào)混合并從基帶頻率轉(zhuǎn)換為RF頻率時(shí)，相位噪聲會(huì)進(jìn)入到信號(hào)中。LO相位噪聲分配反映了頻率合成器使用的參考晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定性、合成器鎖相環(huán)(PLL)使用的壓控振蕩器(VCO)的頻率穩(wěn)定性以及頻率合成器使用的PLL的環(huán)路帶寬。PLL對(duì)于晶體振蕩器來說是低通濾波器，對(duì)于自激VCO來說是高通濾波器。根據(jù)PLL的環(huán)路帶寬，理想的合成器輸出相位噪聲頻譜密度由以下因素決定：低頻偏移下較好的晶體振蕩器長(zhǎng)期穩(wěn)定性；高頻偏移下較好的VCO短期穩(wěn)定性；帶內(nèi)PLL自身鑒相器與分頻器所產(chǎn)生的帶內(nèi)噪聲為基底。
相位噪聲影響調(diào)制精度，與其它減損一樣，也會(huì)影響到EVM。在本例中，最終的EVM約為-25dB。數(shù)據(jù)速率較低時(shí)，符號(hào)時(shí)間內(nèi)的積分消除了短期頻率不穩(wěn)定性的最壞影響，剩下的只有晶體振蕩器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。對(duì)于802.11a/g 在最高數(shù)據(jù)速率下使用的OFDM信號(hào)，通過在接收機(jī)上使用導(dǎo)頻信號(hào)來跟蹤信號(hào)的相位變化，可以減輕相位噪聲的影響。只要相位變化相對(duì)于符號(hào)速率來說比較慢，就可以對(duì)信號(hào)的相位變化進(jìn)行跟蹤與補(bǔ)償。 
應(yīng)該去除過多的相位噪聲，因?yàn)檫^多的相位噪聲可能是出現(xiàn)各種問題的征兆，比如晶體振蕩器的噪聲、電源噪聲產(chǎn)生的寄生信號(hào)或者電路板屏蔽不充分、送入頻率合成器或混頻器中的參考晶體振蕩器信號(hào)電平不正確或者其它設(shè)計(jì)或生產(chǎn)問題。將過多的相位噪聲確定為不良EVM成因的最佳途徑就是檢查相位噪聲的能譜密度(PSD)。某些具有VSA能力的單機(jī)測(cè)試器，如LitePoint的IQview 可以對(duì)WLAN調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相位噪聲分析。

寄生信號(hào)與瞬態(tài)效應(yīng)
在802.11a/b/g設(shè)計(jì)適合于大量生產(chǎn)之前，實(shí)現(xiàn)過程不允許存在會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)性能產(chǎn)生不良影響的寄生信號(hào)與瞬態(tài)效應(yīng)。如前所述，參考晶體振蕩器與頻率合成器VCO對(duì)電源噪聲、DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)噪聲或未屏蔽信號(hào)特別敏感。這種寄生信號(hào)與晶體振蕩器或VCO之間的耦合會(huì)引入相位噪聲，從而降低發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量。
要隔離或確定會(huì)降低發(fā)射機(jī)性能的瞬態(tài)效應(yīng)是非常困難的。比如，RF功率放大器在有WLAN脈沖通信時(shí)打開,而沒有通信時(shí)關(guān)閉以最大限度降低功耗。當(dāng)功率放大器在脈沖來臨之前啟動(dòng)時(shí)，功率放大器將產(chǎn)生較大的電流并可能導(dǎo)致電源產(chǎn)生電壓降或引起接地電流。除非電路板的其它部分完全消除這些影響，否則它們會(huì)影響晶體振蕩器或頻率合成器，引入瞬態(tài)頻率誤差與相位噪聲而瞬時(shí)降低發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量。功率放大器通電所產(chǎn)生的這種頻率推移以及振蕩器對(duì)電源電壓的敏感性會(huì)因其持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短而帶來不同的影響。
802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)需要首先發(fā)射短或長(zhǎng)同步碼(preamble)，短同步碼的持續(xù)時(shí)間為72ms，長(zhǎng)同步碼的持續(xù)時(shí)間為144ms。與此相對(duì)，802.11a/g 標(biāo)準(zhǔn)需要先發(fā)射10個(gè)重復(fù)的總計(jì)8ms 的短訓(xùn)練序列(short training sequence)，后跟2個(gè)重復(fù)的總計(jì)另外8ms 的長(zhǎng)訓(xùn)練序列(long training sequence)。緩慢穩(wěn)定的瞬態(tài)頻率誤差會(huì)破壞802.11a/g 信號(hào)，甚至對(duì)802.11b/g 支持的低數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生不良影響。如果一個(gè)特殊的接收機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)射頻率的估算是建立在前幾微秒同步碼的基礎(chǔ)上的話，則快速穩(wěn)定的發(fā)射頻率誤差也會(huì)影響性能。但要了解是否發(fā)生這種瞬態(tài)響應(yīng)是很困難的，在設(shè)計(jì)過程的所有階段檢查信號(hào)的頻率誤差與時(shí)間關(guān)系的曲線時(shí)也許并未發(fā)生瞬態(tài)響應(yīng)。某些測(cè)試儀器，如IQview 允許根據(jù)短訓(xùn)練序列、長(zhǎng)訓(xùn)練序列或全數(shù)據(jù)包的頻率估算量計(jì)算OFDM 信號(hào)的EVM(如果最終的EVM值變化較大)，因而這也是發(fā)射頻率可能受到瞬態(tài)誤差影響的因素。

信號(hào)飽和的影響
要將功耗降至最低并以最高的效率進(jìn)行操作，RF功率放大器應(yīng)在接近其飽和點(diǎn)的理想狀態(tài)下進(jìn)行操作。但除非功率放大器的平均輸出功率減小(偏離滿功率)，否則不同的調(diào)制類型仍會(huì)將放大器推入其飽和區(qū)域并使信號(hào)飽和。與放大器飽和相關(guān)的非線性隨后會(huì)導(dǎo)致諧波失真、互調(diào)失真與頻譜再生、交叉調(diào)制、SNR惡化以及調(diào)制不準(zhǔn)確。信號(hào)飽和的程度反映了功耗與信號(hào)質(zhì)量之間的折衷，也直接影響了產(chǎn)品成本與質(zhì)量。如果飽和程度過大，則會(huì)降低發(fā)射信號(hào)質(zhì)量，如果飽和程度過小，則可能需要更昂貴的RF功率放大器以達(dá)到所需的平均輸出功率。
802.11b/g采用的單載波M維移相鍵控(M-ary PSK)信號(hào)通?？稍趬嚎s的狀態(tài)下進(jìn)行操作，直到頻譜再生引入鄰信道干擾或超出了要求的頻譜模板。利用頻譜分析儀測(cè)量RF輸出頻譜可以快速地揭示這種效應(yīng)。對(duì)于這種信號(hào)，壓縮通常不會(huì)影響EVM到超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值或顯著影響B(tài)ER性能的程度。
但802.11a/g采用的多載波OFDM信號(hào)通常需要放大器更大程度地偏離滿功率，因?yàn)樗鼈冎g的峰值-平均功率比(PAPR)很高。功率放大器的操作點(diǎn)必須減少，以確保OFDM 信號(hào)的輸入電壓漂移不會(huì)使放大器進(jìn)入飽和區(qū)域引起互調(diào)與頻譜再生效應(yīng)，以免對(duì)OFDM 信號(hào)的52個(gè)副載波帶來不良影響。
注意，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：低于-25dB 的發(fā)射機(jī)EVM支持54Mbps，低于-22dB的發(fā)射機(jī)EVM支持48Mbps 。
利用IQview 提供的信號(hào)分析軟件計(jì)算發(fā)射輸出功率的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)可以很容易地評(píng)估壓縮程度。在對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理之后，CCDF曲線提供信號(hào)處于或高于指定功率電平(用相對(duì)于平均功率的dB表示)的概率估算值。
為了優(yōu)化功耗，還需要進(jìn)行某種程度的壓縮。假設(shè)導(dǎo)致調(diào)制不準(zhǔn)確的所有其它原因已得到緩和，則可以校準(zhǔn)發(fā)射功率電平以使測(cè)量的EVM值處在允許的容值范圍內(nèi)。這基本上是要執(zhí)行的最后一個(gè)生產(chǎn)線校準(zhǔn)步驟。因此，可快速測(cè)量所有802.11a/b/g信號(hào)EVM的單儀器測(cè)試設(shè)備，如IQview 就變得非常有用，特別是當(dāng)將其用作PC控制的生產(chǎn)測(cè)試套件的組成部分時(shí)，可在基帶芯片組和RF部分自動(dòng)設(shè)定合適的控制和電平以將其輸出功率校準(zhǔn)為最佳值。

結(jié)語
VSA、頻譜分析儀、功率表的能力與先進(jìn)的信號(hào)分析軟件組合可以簡(jiǎn)化802.11a/b/g WLAN發(fā)射機(jī)的優(yōu)化過程。無論是用作設(shè)計(jì)過程的組成部分，還是在生產(chǎn)車間使用，在時(shí)域、頻域以及調(diào)制域中快速評(píng)估EVM與其它測(cè)量指標(biāo)的能力可縮短設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效益，并直接改善總體產(chǎn)品質(zhì)量與收益率?！?/p>