射頻放大器復調制性能分析

引言
在無(wú)線(xiàn)通信設備中，由功率放大器造成的相位和幅值失真對通信質(zhì)量有著(zhù)直接的影響。在最新的通信系統協(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(guò)EVM測量能夠觀(guān)察到通信鏈路內部的情況，是衡量發(fā)射器性能的關(guān)鍵。在接收器一側，EVM衡量的是接收器解調傳輸信號的優(yōu)劣。
隨著(zhù)各種現有的和新的信號協(xié)議與調制方法應用于新興的無(wú)線(xiàn)通信標準，新一代射頻測試儀器需要采用包括軟件無(wú)限電（SDR）在內的新型數字架構實(shí)現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(lèi)型調制信號的靈活性，必須能夠在這些調制類(lèi)型之間進(jìn)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(jìn)行充分的特征分析。
射頻功率放大器
給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的通信系統，其中輸入信號可以是語(yǔ)音或者數據?，F代的大部分系統都把所有的模擬信號進(jìn)行了數字化處理， 因此該通信系統實(shí)際上是全數字的。

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(huì )直接影響整個(gè)系統的通信質(zhì)量。

為了實(shí)現最佳的性能，功率放大器通常盡可能地工作在最大的線(xiàn)性功率輸出下。 在最大的線(xiàn)性輸出功率之上是增益壓縮區， 當功率放大器進(jìn)入此壓縮區時(shí)，就會(huì )出現幅值和相位失真現象。諸如OFDM之類(lèi)的調制方法能夠產(chǎn)生具有較高峰-均比的信號。這會(huì )迫使設計者“補償”功率放大器的平均功率工作點(diǎn)，以確保峰值功率不會(huì )使放大器進(jìn)入增益壓縮區。對于多路信號調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(huì )增大EVM誤差。在接收器端，前置放大器、下變頻器和解調器都會(huì )影響EVM誤差。

關(guān)于EVM
EVM表征的是調制精度，是衡量現代無(wú)線(xiàn)通信系統中數字調制質(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(chēng)為基準信號“R”）與實(shí)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(gè)發(fā)射和接收的符號。
通過(guò)EVM值可以觀(guān)察到信號的質(zhì)量，這是眼圖或BER等測量性能指標無(wú)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(guān)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(guò)EVM判斷通信系統不同層次引入的實(shí)際誤差，這能夠幫助設計者查找某些具體的問(wèn)題。

EVM的測量
EVM測量的建立給出了一種典型的EVM測量設置。待測器件（DUT）是用于發(fā)射符合GSM/EDGE移動(dòng)通信標準信號的功率放大器。我們以測試其EDGE調制的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調制的射頻信號。該射頻信號通過(guò)待測的功率放大器進(jìn)行發(fā)送，并在矢量信號分析儀（VSA）中進(jìn)行解調，VSA負責測量并計算EVM。

VSG和VSA的基準頻率時(shí)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(guò)它們的LAN（LXI）或GPIB端口與一臺電腦相連。

在這個(gè)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(guò)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(hù)界面。
在這個(gè)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(cháng)從-40dBm變化到-20dBm。這樣將有201個(gè)幅值步長(cháng)（即測量點(diǎn)），每個(gè)步長(cháng)的測量需要耗時(shí)200ms。直流偏壓保持不變。調制信號是一個(gè)8PSK EDGE信號，在測量峰值EVM時(shí)，對每個(gè)幅值步長(cháng)取20次測量結果的平均值。

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(xiàn)），該圖顯示標稱(chēng)增益約為19.5dB。它在輸入功率為-28~-30dBm時(shí)開(kāi)始下降。放大器增益在輸入功率為-23.5dBm時(shí)降低1dB，在-20dBm時(shí)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(xiàn)（Distorted Plot）”的紅線(xiàn)是放大器的EVM，顯然，隨著(zhù)功率放大器進(jìn)入增益壓縮區，EVM快速下降。在線(xiàn)性區中EVM只有不到1%。在1dB的壓縮點(diǎn)EVM增長(cháng)到20%左右，在3dB的壓縮點(diǎn)EVM增長(cháng)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(xiàn)（Baseline Plot）”的綠線(xiàn)是分析儀的固有EVM噪聲。它的EVM約為1%，遠遠優(yōu)于所測壓縮區中功率放大器的EVM。

在這個(gè)測量例子中，分析儀在大約40秒的時(shí)間內進(jìn)行了4020次精確的EVM測量。