采用矢量信號分析儀來檢測非線性失真的解決方案

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所用功率放大器的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)為 非線性失真。但過度的非線性失真會(huì)使誤碼率( BER)提高，導(dǎo)致移動(dòng)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(yùn)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(biāo)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(jìn)行有效測量時(shí)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)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(jì)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(diǎn)。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(jì)分布的信號，并非實(shí)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(biāo)量、矢量調(diào)制參數(shù)及數(shù)字調(diào)制移動(dòng)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(shí)際上，只需要一套標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(gè)RF移動(dòng)無線信號，并將其送至被測器件(DUT，如移動(dòng)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(gè)與非失真發(fā)射信號相應(yīng)的基準(zhǔn)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(shí)(圖2，同步模塊9)校準(zhǔn)后，被測信號的幅度和相位與基準(zhǔn)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(jìn)行比較(圖2模塊11)。在此時(shí)對典型調(diào)制誤差(如與時(shí)間對應(yīng)的幅度誤差，與時(shí)間對應(yīng)的相位誤差)進(jìn)行計(jì)算。這些信號用于表示矢量及星座圖或用于在以后計(jì)算失真特性。   
   圖3(a)所示為經(jīng)上升余弦濾波的未失真的16態(tài)正交振幅調(diào)制信號的理想星座圖。圖3(b)所示為純幅度失真放大器的輸出信號。兩圖中都標(biāo)識(shí)了復(fù)雜基帶信號的矢量圖。實(shí)際的星座點(diǎn)(圖3(b))在其理想位置的附近。柵格的曲率一定程度上表示了非線性、基于幅度調(diào)制的幅度失真。圖3 (c)所示為幅度-時(shí)間特性。理想信號為藍(lán)色曲線，實(shí)際信號為紅色曲線。為便于識(shí)別，用正方形或圓標(biāo)識(shí)符號時(shí)間。該理想信號的三個(gè)幅度等級用R1至R3的水平線表示，而測量信號則用D1至D3的水平線表示。   

盡管理想信號與實(shí)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(biāo)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)]。   
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實(shí)際上，可用理想信號與實(shí)際信號的信號比或用理想信號與實(shí)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(biāo)描繪每個(gè)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(diǎn)標(biāo)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(shí)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(jì)算調(diào)制誤差，分析儀通過將符號時(shí)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(dòng)無線標(biāo)準(zhǔn)(如 EDGE)中有具體描述。

圖4所示為標(biāo)有符號時(shí)間、經(jīng)適配之后的誤差信號。以對數(shù)形式表達(dá)其與參考信號的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，適配導(dǎo)致測量點(diǎn)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(gè)記號標(biāo)記壓縮點(diǎn)，其水平間隔固定為10dB。通過在特性曲線上移動(dòng)記號來決定兩記號垂直間隔為1dB的點(diǎn)。此時(shí)，標(biāo)為記號C的該位置即表示1dB壓縮點(diǎn)，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(shí)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(dòng)產(chǎn)生符號間無干擾(即，集中的)的星座點(diǎn)。適配產(chǎn)生如下圖形：即星座點(diǎn)的位置被輕微地向高電平移動(dòng)。中間位置的星座圖看起來相符，而具有高電平的外部點(diǎn)向內(nèi)微移。   

通過插入所有的測量點(diǎn)[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(gè)特性曲線在垂直方向上都有移動(dòng)，但對壓縮點(diǎn)的微分計(jì)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(gè)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?yàn)闉V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(dòng)無線標(biāo)準(zhǔn)的沖擊信號作為例子。數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)EDGE使用3?/8-8PSK調(diào)制方案。對于發(fā)射機(jī)，有一個(gè)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(huì)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(jì)算所加的采樣輸入功率，確定壓縮點(diǎn)及相位誤差，并按絕對刻度顯示。對于這一放大器，計(jì)算出來的1dB壓縮點(diǎn)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(jìn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)。