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量就是測量誤差矢量幅值，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表示的信息的優(yōu)劣。通過EVM測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)傳輸信號的優(yōu)劣。
 隨著各種現(xiàn)有的和新的信號協(xié)議與調(diào)制方法應(yīng)用于新興的無線通信標準，新一代射頻測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)實現(xiàn)方案去測試新的信號傳輸機制。新的儀器必須具有產(chǎn)生和分析多種類型調(diào)制信號的靈活性，必須能夠在這些調(diào)制類型之間進行快速切換。因此，新的射頻儀器必須能夠快速而精確地測量多種不同調(diào)制格式的EVM指標。本文我們將分析這些新型儀器是如何精確測量EVM，從而對射頻放大器性能進行充分的特征分析。
射頻功率放大器
  給出了一個簡化的通信系統(tǒng)，其中輸入信號可以是語音或者數(shù)據(jù)。現(xiàn)代的大部分系統(tǒng)都把所有的模擬信號進行了數(shù)字化處理， 因此該通信系統(tǒng)實際上是全數(shù)字的。

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

 為了實現(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)， 當功率放大器進入此壓縮區(qū)時，就會出現(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。這會迫使設(shè)計者“補償”功率放大器的平均功率工作點，以確保峰值功率不會使放大器進入增益壓縮區(qū)。對于多路信號調(diào)制方法和多路徑外部環(huán)境，確保功率放大器遠離增益壓縮區(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)量的一項關(guān)鍵指標。EVM是發(fā)射信號的理想的測量分量I（同相位）和Q（正交相位）（稱為基準信號“R”）與實際接收到的測量信號“M”的 I和Q分量幅值之間的矢量差。EVM適用于每一個發(fā)射和接收的符號。
通過EVM值可以觀察到信號的質(zhì)量，這是眼圖或BER等測量性能指標無法表征的。EVM與誤碼率成正比，但是它比眼圖或BER測試的速度更快，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)不同層次引入的實際誤差，這能夠幫助設(shè)計者查找某些具體的問題。

EVM的測量
 EVM測量的建立給出了一種典型的EVM測量設(shè)置。待測器件（DUT）是用于發(fā)射符合GSM/EDGE移動通信標準信號的功率放大器。我們以測試其EDGE調(diào)制的EVM性能。

 我們使用一臺矢量信號發(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。該射頻信號通過待測的功率放大器進行發(fā)送，并在矢量信號分析儀（VSA）中進行解調(diào)，VSA負責(zé)測量并計算EVM。

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

 在這個例子中，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、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。
在這個測量例子中，頻率始終保持在500MHz，而射頻輸入功率以0.1dB為步長從-40dBm變化到-20dBm。這樣將有201個幅值步長（即測量點），每個步長的測量需要耗時200ms。直流偏壓保持不變。調(diào)制信號是一個8PSK EDGE信號，在測量峰值EVM時，對每個幅值步長取20次測量結(jié)果的平均值。

 用矢量信號分析儀測試EVM與輸入功率關(guān)系給出了詳細的測量結(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（藍線），該圖顯示標稱增益約為19.5dB。它在輸入功率為-28~-30dBm時開始下降。放大器增益在輸入功率為-23.5dBm時降低1dB，在-20dBm時降低3dB。
 
 上面的一幅圖表示EVM與功率的關(guān)系。標識了“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EVM增長到20%左右，在3dB的壓縮點EVM增長到40%以上。

 上面一幅圖還顯示了其他一些信息。標識了“基準線（Baseline Plot）”的綠線是分析儀的固有EVM噪聲。它的EVM約為1%，遠遠優(yōu)于所測壓縮區(qū)中功率放大器的EVM。

 在這個測量例子中，分析儀在大約40秒的時間內(nèi)進行了4020次精確的EVM測量。

 
 頻率以10MHz為步長從400MHz變化到2.5GHz。這個實驗中包含211個頻率測量步長（即測量點），每個步長的測量耗時約220ms。射頻輸入功率穩(wěn)定在-30dBm。 直流偏壓保持不變。同樣，調(diào)制信號是8PSK的EDGE信號，對每個頻率步長取20次測量結(jié)果的平均值。

EVM與射頻頻率關(guān)系給出了更詳細的測量結(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秒的時間內(nèi)進行了4220次精確的EVM測量。

在這個例子中，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。EDGE使用8PSK調(diào)制信號，表明，它對EVM下降的敏感性較低。

雖然沒有給出測試結(jié)果，但是我們必須在一定的偏壓范圍內(nèi)對功率放大器的EVM進行特征分析，以決定EVM在哪個位置達到無法接受的水平。這對于將要用于移動產(chǎn)品中的器件尤其重要。當EVM達到阻止接收器正確解調(diào)發(fā)射信號的水平時，這時的偏壓值決定了移動設(shè)備必須關(guān)機的電池電壓。產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必須檢驗在規(guī)定的電池低閾值電平之上移動設(shè)備是否仍然能夠正常工作。

更復(fù)雜的是測量OFDM傳輸?shù)腅VM性能，OFDM傳輸實際上是一組工作在不同頻率下的副載波，每個副載波傳輸一個唯一的符號，而且同時進行傳輸。這種調(diào)制方式將產(chǎn)生多個星圖，使用多種調(diào)制技術(shù)。在任意時間點上，根據(jù)傳輸中各個符號狀態(tài)的相位，組合的符號狀態(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)會嚴重降低 EVM和調(diào)制質(zhì)量。


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

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

首先，測量時間縮短。先進的數(shù)字架構(gòu)能夠加快測量速度，而專門的合成器電路則加快了調(diào)諧時間。如果VSG和VSA采用相同的架構(gòu)并采用協(xié)同工作的設(shè)計方式，那么系統(tǒng)集成時間也隨之縮短了。

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

結(jié)語
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)量的一項關(guān)鍵指標，它的主要優(yōu)勢在于，測量速度比BER 測試更快，相比眼圖或BER測試能夠提供更多的診斷信息。但是，EVM不是僅僅一個數(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是由多個信號組合而成。因此，必須在一定的參數(shù)范圍內(nèi)對發(fā)射器（或功率放大器）的性能進行特征分析和測試，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，例如吉時利的射頻測試系列儀器，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)。這使得這類儀器能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測量精度，同時大大提高了儀器的性價比，降低了測試成本。