射頻放大器復調制性能設計

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。

頻率以10MHz為步長(cháng)從400MHz變化到2.5GHz。這個(gè)實(shí)驗中包含211個(gè)頻率測量步長(cháng)（即測量點(diǎn)），每個(gè)步長(cháng)的測量耗時(shí)約220ms。射頻輸入功率穩定在-30dBm。 直流偏壓保持不變。同樣，調制信號是8PSK的EDGE信號，對每個(gè)頻率步長(cháng)取20次測量結果的平均值。

EVM與射頻頻率關(guān)系給出了更詳細的測量結果。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(xiàn)），該圖表明在400～500MHz的頻率范圍內，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(shí)間內進(jìn)行了4220次精確的EVM測量。

在這個(gè)例子中，DUT在其頻率范圍內都能夠提供很好的調制質(zhì)量。由于EDGE接收器不僅能夠檢測相位調制，即使是在幅值下降的情況下也仍然能夠正確解調信號。EDGE使用8PSK調制信號，表明，它對EVM下降的敏感性較低。

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

更復雜的是測量OFDM傳輸的EVM性能，OFDM傳輸實(shí)際上是一組工作在不同頻率下的副載波，每個(gè)副載波傳輸一個(gè)唯一的符號，而且同時(shí)進(jìn)行傳輸。這種調制方式將產(chǎn)生多個(gè)星圖，使用多種調制技術(shù)。在任意時(shí)間點(diǎn)上，根據傳輸中各個(gè)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。這就是設置功率放大器工作點(diǎn)盡可能減少功率放大器在增益壓縮區內工作的關(guān)鍵所在。正如EVM 與功率之間關(guān)系的分析結果所示，工作在增益壓縮區會(huì )嚴重降低 EVM和調制質(zhì)量。

SDR的優(yōu)勢
在SDR中，快速而強大的數字處理電路取代了傳統的模擬電路。由于可以通過(guò)更改固件而不是硬連線(xiàn)電路來(lái)改變測量功能，因此這種設計更加靈活?；赟DR架構的產(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(shí)間縮短。先進(jìn)的數字架構能夠加快測量速度，而專(zhuān)門(mén)的合成器電路則加快了調諧時(shí)間。如果VSG和VSA采用相同的架構并采用協(xié)同工作的設計方式，那么系統集成時(shí)間也隨之縮短了。

同時(shí)，儀器靈活的數字架構意味著(zhù)可以通過(guò)軟件的方式增加新的測量功能，而不用改動(dòng)硬件。

結語(yǔ)
功率放大器和其他元件的相位和幅值失真直接影響著(zhù)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(gè)數值，而是工作功率大小、工作頻率和直流偏壓的函數。此外，在OFDM 傳輸中，EVM是由多個(gè)信號組合而成。因此，必須在一定的參數范圍內對發(fā)射器（或功率放大器）的性能進(jìn)行特征分析和測試，以確保設備能夠使用戶(hù)獲得可靠、正常工作。

新一代射頻儀器，例如吉時(shí)利的射頻測試系列儀器，采用了數字架構和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(lèi)儀器能夠實(shí)現很高的測量精度，同時(shí)大大提高了儀器的性?xún)r(jià)比，降低了測試成本。