矢量信號分析儀在非線性失真的檢測方案中的應(yīng)用介紹
移動通信網(wǎng)絡(luò)所用功率放大器的一個關(guān)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(dǎo)致移動通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(shè)備也應(yīng)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(shè)備，并不需要附加的測量設(shè)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Rohde&Schwarz公司的FSQ-K70)輸入端相連。甚至可用這一組設(shè)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(模塊數(shù)字信號處理器 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(yīng)的基準信號。信號分析儀僅需了解調(diào)制結(jié)構(gòu)及適當(dāng)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(yīng)，以取得EVM的均方根值( 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(yīng)的幅度誤差，與時間對應(yīng)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。
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(yīng)的理想信號取樣，則所得結(jié)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(jié)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(guān)這類的適配，在常見的移動無線標準(如 EDGE)中有具體描述。
圖4所示為標有符號時間、經(jīng)適配之后的誤差信號。以對數(shù)形式表達其與參考信號的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，適配導(dǎo)致測量點及內(nèi)插壓縮曲線在垂直方向上略有偏移[圖3(f)及4(b)]。
插值后，用兩個記號標記壓縮點，其水平間隔固定為10dB。通過在特性曲線上移動記號來決定兩記號垂直間隔為1dB的點。此時，標為記號C的該位置即表示1dB壓縮點，見圖4(b)。
圖4(c)及4(d)所示為帶上升余弦發(fā)射 濾波的16 QAM調(diào)制方案的實際測量結(jié)果。該發(fā)射濾波并不需要接收濾波器并能自動產(chǎn)生符號間無干擾(即，集中的)的星座點。適配產(chǎn)生如下圖形：即星座點的位置被輕微地向高電平移動。中間位置的星座圖看起來相符，而具有高電平的外部點向內(nèi)微移。
通過插入所有的測量點[見圖4(d)的上半部]可得放大器的AM/AM失真曲線。圖4(d)底部所示為AM/PM曲線，即用x/y軸表示的信號的相位差與理想信號電平的關(guān)系。在適配后這兩個特性曲線在垂直方向上都有移動，但對壓縮點的微分計算通常還能提供正確的數(shù)值。
該失真測量新方法也可與所有線性調(diào)制方案及任一類型的發(fā)射濾波器一道采用。然而，新方法要求一個沒有接收濾波的測量信號。任何有帶寬限制的接收濾波，將因為濾波器的沖擊響應(yīng)被分配到一定量的符號周期上，從而導(dǎo)致非線性效應(yīng)。結(jié)果將造成信號特性的惡化。
為解釋新的失真測量方法，用基于 EDGE移動無線標準的沖擊信號作為例子。數(shù)字標準EDGE使用3?/8-8PSK調(diào)制方案。對于發(fā)射機，有一個特殊的濾波器，該濾波器無符號間干擾。做為示范測試的一部分，EDGE沖擊信號被解調(diào)，并將測試結(jié)果距離對齊，按同步序列的位置排列并限制在該沖擊信號有效范圍(有用部分)內(nèi)。這樣，沖擊信號的邊緣及之外的區(qū)域就不會被用于測量分析。
對于寬帶、雙極小信號放大器(沒有顯示)的測量，矢量信號分析儀計算所加的采樣輸入功率，確定壓縮點及相位誤差，并按絕對刻度顯示。對于這一放大器，計算出來的1dB壓縮點為+10.36dBm（被測部件的輸出電平），相位失真為8.71deg。除了這些電平及相位特性之外，對平均功率電平與峰值因子(峰值與平均功率的比值)的比較可提供與DUT失真相關(guān)的更多信息。這些測量結(jié)果顯示：平均功率壓縮為0.68dB、峰值因子下降了0.82dB。
這套最先進的矢量信號分析儀，使得非線性失真特性及調(diào)制相關(guān)的壓縮參數(shù)的測量變得非常容易。這套檢測設(shè)備還可用于傳統(tǒng)的矢量分析及失真測量，還可以直接驗證功率放大器的預(yù)矯正的有效性，而不像其它檢測設(shè)備，如 EVM那樣，只能通過推斷才能實現(xiàn)。
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