針對(duì)無(wú)線(xiàn)寬帶相位噪聲的測(cè)試方案

無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)正在通過(guò)增加調(diào)制復(fù)雜度和調(diào)制帶寬向著更高的射頻（RF）頻率和數(shù)據(jù)率的方向發(fā)展。這些寬帶無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)必須要有可靠的測(cè)量技術(shù)作為支持。

關(guān)鍵指標(biāo)

誤差矢量幅度（EVM）是一種嚴(yán)格的規(guī)范，經(jīng)常用于描述傳輸信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。EVM測(cè)量的是理想的參考波形與被測(cè)波形之間的差別。如果接收機(jī)的EVM很差，它能夠正確恢復(fù)傳輸信號(hào)的能力就會(huì)下降，這會(huì)增加蜂窩邊緣的誤碼率（BER），導(dǎo)致覆蓋范圍縮小。

圖1 上述的QPSK信號(hào)中的相位抖動(dòng)降低了接收機(jī)的靈敏度

造成EVM差的原因之一是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)當(dāng)中所有振蕩器的相位噪聲。正交相移鍵控調(diào)制（QPSK）信號(hào)的相位噪聲看上去像星座圖的旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖1），縮短了星座點(diǎn)之間的距離，所以對(duì)于給定的誤碼率，接收機(jī)就需要更高的信噪比。因此相位噪聲降低了接收機(jī)的靈敏度。

對(duì)于像LTE和WiMAX當(dāng)中的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)，本振（LO）的相位噪聲疊加在n個(gè)副載波上的。這里的相位噪聲有兩個(gè)效果：（1）所有副載波的隨機(jī)相位旋轉(zhuǎn)常稱(chēng)為公共相位誤差（CPE）；（2）載頻間干擾（ICI）是由給定的副載波被n-1個(gè)相鄰的帶有噪聲的副載波惡化而產(chǎn)生的。

OFDM符號(hào)包含特定的被稱(chēng)為“導(dǎo)頻”的副載波，“導(dǎo)頻”能幫助接收機(jī)跟蹤到CPE，同時(shí)估計(jì)出傳輸信道的頻率響應(yīng)。這些“導(dǎo)頻”并不會(huì)改善ICI，但它仍然會(huì)影響EVM。這會(huì)導(dǎo)致相位噪聲對(duì)OFDM的影響略微不同于對(duì)傳統(tǒng)的QPSK信號(hào)的影響，但是相位噪聲仍然是信號(hào)惡化的一個(gè)重要原因。

對(duì)于64-QAM調(diào)制的OFDM來(lái)說(shuō)，對(duì)發(fā)射機(jī)輸出端的EVM的要求非常嚴(yán)格：均方根的典型值是2.7%左右。這就是為什么本振的相位噪聲和抖動(dòng)對(duì)于本振鎖相環(huán)（PLL）的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵的原因。要實(shí)現(xiàn)均方根2.7%的EVM，我們推薦將總相位抖動(dòng)均方根值低于1°作為選擇合成器的標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量相位噪聲

由于相位噪聲對(duì)EVM有如此重要的影響，所以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中檢驗(yàn)本振的相位噪聲性能就非常關(guān)鍵。雖然低成本設(shè)備（比如用戶(hù)設(shè)備或者毫微微蜂窩設(shè)備）的生產(chǎn)測(cè)試次數(shù)較少，不允許進(jìn)行這種深入測(cè)試，但是相位噪聲測(cè)量功能卻有助于過(guò)程監(jiān)控和排除生產(chǎn)問(wèn)題。

圖2 CW信號(hào)在它的邊緣展示了相位噪聲

在頻譜分析儀中，通過(guò)觀察信號(hào)的“邊緣”，可以很容易看到相位噪聲。頻率相當(dāng)緩慢的傾斜就顯示了相位噪聲（見(jiàn)圖2）。然而這幅頻譜分析儀的圖并沒(méi)有顯示抖動(dòng)強(qiáng)度有多大。

現(xiàn)代的頻譜分析儀可以很容易測(cè)量dBc/Hz為單位的相位噪聲，或者以角度、弧度或者秒為單位的相位抖動(dòng)。頻譜分析儀的相位噪聲測(cè)量適用于中等質(zhì)量的合成器，比如在商用無(wú)線(xiàn)用戶(hù)設(shè)備或者毫微微蜂窩設(shè)備中的合成器，甚至可能用在基站中的合成器中。在這里的示例中（見(jiàn)圖3），頻譜分析儀測(cè)量得到2.3GHz的信號(hào)在10kHz～5MHz范圍內(nèi)的抖動(dòng)是0.1°，很明顯，它完全可以勝任測(cè)量本振的工作。

然而，頻譜分析儀不適用于測(cè)量質(zhì)量很高的合成器，比如實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的合成信號(hào)發(fā)生器或者原子鐘。在這些情況下，測(cè)量結(jié)果是頻譜分析儀的殘留相位噪聲基底，而不是被測(cè)設(shè)備。

當(dāng)測(cè)量有漂移的信號(hào)源時(shí)，比如壓控振蕩器（VCO），頻譜分析儀同樣有局限性，因?yàn)閂CO的頻率漂移會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。在偏移量較大時(shí)，比如大于1MHz，這通常不是問(wèn)題，但是偏移量較小時(shí)，比如1kHz，VCO的輸出會(huì)經(jīng)常漂出測(cè)量范圍，導(dǎo)致結(jié)果無(wú)效。

因?yàn)橄辔辉肼暿怯胐Bc/Hz為單位來(lái)測(cè)量的，但是本振需要用角度的均方根來(lái)測(cè)量，所以需要一些轉(zhuǎn)換，這就要對(duì)相位噪聲在數(shù)十個(gè)偏置范圍內(nèi)進(jìn)行積分，并且轉(zhuǎn)換到恰當(dāng)?shù)膯挝弧嵌取⒒《然蛘呙?。雖然你可以手動(dòng)完成這一復(fù)雜的過(guò)程，但是讓設(shè)備完成要簡(jiǎn)單得多。

偏移量范圍的問(wèn)題

但是這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：在什么偏移量范圍內(nèi)進(jìn)行積分？對(duì)于OFDM，一個(gè)不錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)法則是，將碼元速率到系統(tǒng)帶寬的偏移量作為積分范圍。碼元速率的限制是因?yàn)榻邮諜C(jī)消除了CPE，而CPE主要位于碼元速率以下的偏移量處。超出系統(tǒng)帶寬的偏移量被接收濾波器濾除了，所以就沒(méi)有什么影響了。

對(duì)于WiMAX，準(zhǔn)確的偏移量取決于使用的具體配置，比如說(shuō)，可以使用10kHz～5MHz的偏移量。對(duì)于LTE，原理是相同的，但是偏移量會(huì)稍有不同，它同樣取決于無(wú)線(xiàn)電的使用模式。比如，LTE可以使用15kHz～20MHz的范圍。

圖3 這個(gè)相位噪聲圖畫(huà)出了10kHz～5MHz偏移量范圍中的抖動(dòng)測(cè)量，標(biāo)記畫(huà)出了抖動(dòng)測(cè)量中不同頻率偏移量范圍的界限

相位噪聲圖不僅提供了一種在具體頻率偏移量范圍內(nèi)得到抖動(dòng)的方法，而且可以用來(lái)更好地理解PLL。仔細(xì)查看圖3所示的相位噪聲圖，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)不同區(qū)域。

從10Hz到近1kHz，以及從近100kHz到1MHz的偏移量具有相當(dāng)穩(wěn)定的每分貝20dB的斜率。這是頻率參考和壓控振蕩器中的諧振元件起主要作用的區(qū)域。從近1kHz到10kHz，我們看到一個(gè)平坦的區(qū)域，兩邊分別過(guò)渡到20dB/分貝。這是參考源的寬帶噪聲基底被搬移到RF頻率而造成的。

鎖相環(huán)的帶寬也在這個(gè)區(qū)域，很可能靠近高值端。在這區(qū)域內(nèi)可能會(huì)有很大的尖峰，取決于環(huán)路濾波器；這意味著存在欠阻尼，它可能會(huì)造成不穩(wěn)定。在大約1MHz以上的偏移量處，我們可以看到壓控振蕩器的寬帶噪聲。

所以，使用頻譜分析儀和相位噪聲測(cè)量軟件可以很好地檢驗(yàn)本振的抖動(dòng)性能。這種組合成本低，性能充足，而且便于展示在一定頻率偏移量范圍內(nèi)的抖動(dòng)。