使用先進(jìn)的信號分析技術(shù)確定WLAN發(fā)射機降級的原因

摘    要：本文舉例說(shuō)明了設計和質(zhì)量保證工程師如何利用誤差向量幅度(EVM)、頻率誤差、相位噪聲及發(fā)射功率包絡(luò )來(lái)辯識WLAN發(fā)射機性能降級的原因。特別講述了發(fā)現并化解幅度、相位、I與Q信道之間的群延遲失衡、相位噪聲、寄生信號、瞬態(tài)效應、信號壓縮對發(fā)射機性能的影響時(shí)所采用的一些技術(shù)。
802.11/a/b/g WLAN發(fā)射機的性能會(huì )直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。在當今WLAN產(chǎn)品市場(chǎng)空間擁擠、利潤微薄的情況下，提高質(zhì)量無(wú)疑會(huì )使產(chǎn)品更具特色并增加其銷(xiāo)售量，還能減少退貨并提高生產(chǎn)效益以及收益率。但是，發(fā)射機的性能很容易受到RF部分的設計選擇、電路板布局及其實(shí)現方式、元件的變化及更替等因素的影響，并且會(huì )由于802.11a/b/g標準所要求的調制類(lèi)型和頻帶的不同而變得更加復雜。
具有頻譜分析儀、向量信號分析儀(VSA)及功率表(帶信號分析軟件，如LitePoint的IQview 802.11a/b/g WLAN 測量方法及其相關(guān)的IQsignal軟件包)能力的測試儀是分析大多數WLAN 發(fā)射機問(wèn)題的必備工具。利用頻譜分析儀與功率表能力可以測量頻率偏差、瞬態(tài)信號、相位噪聲、同帶信號傳輸功率、相鄰信道功率及其它參數，而VSA能力則可以將特定的信號解調成正交分量，因此可將復雜的信號顯示為具有幅度和相位特性的向量或者顯示其完整的信號星座圖。信號分析軟件可隨之簡(jiǎn)化測量過(guò)程并同時(shí)提供性能測試的統計評估結果。   
利用這些工具，可以在調制域、時(shí)域及頻域進(jìn)行測量，在設計過(guò)程與生產(chǎn)期間評估發(fā)射機性能并查找其故障。此外，由于允許測量一個(gè)簡(jiǎn)單方便的品質(zhì)因數——誤差向量幅度(EVM)，將表征發(fā)射RF信號的許多參數簡(jiǎn)化為單一參數，因此這些工具簡(jiǎn)化了802.11a/b/g所需的復雜波形分析。在生產(chǎn)線(xiàn)測試中，EVM可作為合格與否的標尺以簡(jiǎn)化發(fā)射機的質(zhì)量保證并提高測試吞吐量，而在設計過(guò)程中，EVM則是一個(gè)很有價(jià)值的總體信號質(zhì)量指標。

誤差向量幅度
誤差向量幅度是測量調制精度與發(fā)射機性能的一個(gè)直接測量指標。從質(zhì)量上講，EVM 反映了誤差向量，它定義為信號星座圖中測量信號與理想無(wú)差錯點(diǎn)之間的差別。測量信號在幅度和相位方面均不同于理想信號。完全確定不變的信號惡化只是使信號偏離了其理想點(diǎn)。但在存在碼間串擾和噪聲的情況下，重復測量結果明顯地顯示出測量信號圍繞理想信號進(jìn)行隨機變化，這種隨機變化現象定義為圍繞理想信號星座圖點(diǎn)的“誤差云”。
802.11/a/b/g標準采用EVM來(lái)描述發(fā)射機的總調制精度，并給出如何測量802.11b和802.11g的直接序列擴頻信號以及802.11a/g的OFDM信號EVM的綜合方法。 比如，802.11a/g標準采用BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM OFDM信號。該標準通過(guò)在構成符號的所有OFDM數據副載波(subcarrier)中以及構成幀的所有OFDM符號(每幀最少有16個(gè)符號)中進(jìn)行信號抽樣，然后用信號星座圖點(diǎn)的平均功率進(jìn)行歸一化，并求出至少20幀的平均值來(lái)定義這些信號的EVM 。這樣就可以確定各特定802.11a/b/g模式的單一EVM值。
對于采用低階調制類(lèi)型的802.11b 來(lái)說(shuō)，標準允許相對較高的EVM值，而對于采用高階調制類(lèi)型的802.11a/g 來(lái)說(shuō)，則規定了更嚴格的(較低的)EVM值。標準也對不同的調制技術(shù)規定了不同的EVM計算方法——對于802.11b/g的相對低數據速率直接序列擴頻信號，按峰值計算EVM，而對于802.11a/g 的高數據速率OFDM信號，則計算多載波與多符號的EVM平均值。從直觀(guān)上講，發(fā)射的EVM 必須足夠小，以使失真信號不能靠近星座圖的判定邊界，特別是在存在加性噪聲以及有其它信道和接收機影響的情況下。高數據速率的802.11a/g采用高階調制技術(shù)，因此更容易受到發(fā)射信號減損的影響——給定的EVM值對16-QAM或64-QAM信號的影響程度將超過(guò)QPSK或CCK信號，因為它們的判決區域更小。

典型的發(fā)射機減損
在大多數802.11a/b/g 的應用中，WLAN基帶處理器都會(huì )對信號進(jìn)行調制，在片內或片外的D/A轉換之后，提供I(同相)與Q(正交)的模擬輸出信號，由隨后的RF部分進(jìn)行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發(fā)射信號減損的根源，減損主要是由于經(jīng)PCB設備和RF電路的信號通道的模擬變化造成的。元件變化、PCB印刷線(xiàn)路布局缺陷、晶體振蕩器與頻率合成器的不穩定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會(huì )促使發(fā)射信號的惡化。
EVM能表達多數不同的信號失真效應。較差的EVM測量結果本身就說(shuō)明了問(wèn)題，特別是在與其它參數的測量結果組合使用時(shí)，可有助于確定下述發(fā)射信號減損：I/Q失衡(幅度、相位、群延遲)；相位噪聲；寄生信號與瞬態(tài)效應；信號壓縮效應。

I/Q失衡
I 與Q之間的失衡或失配會(huì )直接影響調制精度。沿PCB印刷線(xiàn)路上的I 與Q信號通道產(chǎn)生的寄生電容與寄生電感的差異會(huì )導致I/Q失衡，就像元件變化甚至基帶與RF IC設計變更造成的I/Q失衡那樣。
由于幅度與相位失衡，星座圖會(huì )有些失真與模糊不清，而不是一些清晰定義的點(diǎn)。在本例中，I/Q 失衡的影響導致了大約-30dB的EVM值，而該值正好與單獨測量的每個(gè)副載波的EVM值基本相同。由于調制導頻信號的數據之間存在固定的關(guān)系，因此其星座點(diǎn)看起來(lái)比數據星座點(diǎn)更清晰，并且提供一種定性評估I/Q 失衡影響的簡(jiǎn)單方法。I/Q幅度失配使導頻信號大都散布在I軸，而I/Q相位失配則使導頻信號大都散布在Q軸 。
除了幅度與相位失衡之外，I與Q信號之間不同的群延遲會(huì )對調制精度帶來(lái)不良影響。這種失衡通常與基帶I與Q信號的PCB布局以及不同的印刷線(xiàn)路長(cháng)度有關(guān)。星座圖點(diǎn)將再次顯示出失真，但群延遲差異的影響取決于頻率,對每個(gè)OFDM 副載波的影響也不同。

相位噪聲
當信號與本振(LO)信號混合并從基帶頻率轉換為RF頻率時(shí)，相位噪聲會(huì )進(jìn)入到信號中。LO相位噪聲分配反映了頻率合成器使用的參考晶體振蕩器的頻率穩定性、合成器鎖相環(huán)(PLL)使用的壓控振蕩器(VCO)的頻率穩定性以及頻率合成器使用的PLL的環(huán)路帶寬。PLL對于晶體振蕩器來(lái)說(shuō)是低通濾波器，對于自激VCO來(lái)說(shuō)是高通濾波器。根據PLL的環(huán)路帶寬，理想的合成器輸出相位噪聲頻譜密度由以下因素決定：低頻偏移下較好的晶體振蕩器長(cháng)期穩定性；高頻偏移下較好的VCO短期穩定性；帶內PLL自身鑒相器與分頻器所產(chǎn)生的帶內噪聲為基底。
相位噪聲影響調制精度，與其它減損一樣，也會(huì )影響到EVM。在本例中，最終的EVM約為-25dB。數據速率較低時(shí)，符號時(shí)間內的積分消除了短期頻率不穩定性的最壞影響，剩下的只有晶體振蕩器的長(cháng)期穩定性的影響。對于802.11a/g 在最高數據速率下使用的OFDM信號，通過(guò)在接收機上使用導頻信號來(lái)跟蹤信號的相位變化，可以減輕相位噪聲的影響。只要相位變化相對于符號速率來(lái)說(shuō)比較慢，就可以對信號的相位變化進(jìn)行跟蹤與補償。 
應該去除過(guò)多的相位噪聲，因為過(guò)多的相位噪聲可能是出現各種問(wèn)題的征兆，比如晶體振蕩器的噪聲、電源噪聲產(chǎn)生的寄生信號或者電路板屏蔽不充分、送入頻率合成器或混頻器中的參考晶體振蕩器信號電平不正確或者其它設計或生產(chǎn)問(wèn)題。將過(guò)多的相位噪聲確定為不良EVM成因的最佳途徑就是檢查相位噪聲的能譜密度(PSD)。某些具有VSA能力的單機測試器，如LitePoint的IQview 可以對WLAN調制信號進(jìn)行相位噪聲分析。

寄生信號與瞬態(tài)效應
在802.11a/b/g設計適合于大量生產(chǎn)之前，實(shí)現過(guò)程不允許存在會(huì )對發(fā)射機性能產(chǎn)生不良影響的寄生信號與瞬態(tài)效應。如前所述，參考晶體振蕩器與頻率合成器VCO對電源噪聲、DC-DC轉換器開(kāi)關(guān)噪聲或未屏蔽信號特別敏感。這種寄生信號與晶體振蕩器或VCO之間的耦合會(huì )引入相位噪聲，從而降低發(fā)射信號的質(zhì)量。
要隔離或確定會(huì )降低發(fā)射機性能的瞬態(tài)效應是非常困難的。比如，RF功率放大器在有WLAN脈沖通信時(shí)打開(kāi),而沒(méi)有通信時(shí)關(guān)閉以最大限度降低功耗。當功率放大器在脈沖來(lái)臨之前啟動(dòng)時(shí)，功率放大器將產(chǎn)生較大的電流并可能導致電源產(chǎn)生電壓降或引起接地電流。除非電路板的其它部分完全消除這些影響，否則它們會(huì )影響晶體振蕩器或頻率合成器，引入瞬態(tài)頻率誤差與相位噪聲而瞬時(shí)降低發(fā)射信號的質(zhì)量。功率放大器通電所產(chǎn)生的這種頻率推移以及振蕩器對電源電壓的敏感性會(huì )因其持續時(shí)間的長(cháng)短而帶來(lái)不同的影響。
802.11b/g標準需要首先發(fā)射短或長(cháng)同步碼(preamble)，短同步碼的持續時(shí)間為72ms，長(cháng)同步碼的持續時(shí)間為144ms。與此相對，802.11a/g 標準需要先發(fā)射10個(gè)重復的總計8ms 的短訓練序列(short training sequence)，后跟2個(gè)重復的總計另外8ms 的長(cháng)訓練序列(long training sequence)。緩慢穩定的瞬態(tài)頻率誤差會(huì )破壞802.11a/g 信號，甚至對802.11b/g 支持的低數據速率產(chǎn)生不良影響。如果一個(gè)特殊的接收機設計對發(fā)射頻率的估算是建立在前幾微秒同步碼的基礎上的話(huà)，則快速穩定的發(fā)射頻率誤差也會(huì )影響性能。但要了解是否發(fā)生這種瞬態(tài)響應是很困難的，在設計過(guò)程的所有階段檢查信號的頻率誤差與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)時(shí)也許并未發(fā)生瞬態(tài)響應。某些測試儀器，如IQview 允許根據短訓練序列、長(cháng)訓練序列或全數據包的頻率估算量計算OFDM 信號的EVM(如果最終的EVM值變化較大)，因而這也是發(fā)射頻率可能受到瞬態(tài)誤差影響的因素。

信號飽和的影響
要將功耗降至最低并以最高的效率進(jìn)行操作，RF功率放大器應在接近其飽和點(diǎn)的理想狀態(tài)下進(jìn)行操作。但除非功率放大器的平均輸出功率減小(偏離滿(mǎn)功率)，否則不同的調制類(lèi)型仍會(huì )將放大器推入其飽和區域并使信號飽和。與放大器飽和相關(guān)的非線(xiàn)性隨后會(huì )導致諧波失真、互調失真與頻譜再生、交叉調制、SNR惡化以及調制不準確。信號飽和的程度反映了功耗與信號質(zhì)量之間的折衷，也直接影響了產(chǎn)品成本與質(zhì)量。如果飽和程度過(guò)大，則會(huì )降低發(fā)射信號質(zhì)量，如果飽和程度過(guò)小，則可能需要更昂貴的RF功率放大器以達到所需的平均輸出功率。
802.11b/g采用的單載波M維移相鍵控(M-ary PSK)信號通?？稍趬嚎s的狀態(tài)下進(jìn)行操作，直到頻譜再生引入鄰信道干擾或超出了要求的頻譜模板。利用頻譜分析儀測量RF輸出頻譜可以快速地揭示這種效應。對于這種信號，壓縮通常不會(huì )影響EVM到超過(guò)標準規定值或顯著(zhù)影響B(tài)ER性能的程度。
但802.11a/g采用的多載波OFDM信號通常需要放大器更大程度地偏離滿(mǎn)功率，因為它們之間的峰值-平均功率比(PAPR)很高。功率放大器的操作點(diǎn)必須減少，以確保OFDM 信號的輸入電壓漂移不會(huì )使放大器進(jìn)入飽和區域引起互調與頻譜再生效應，以免對OFDM 信號的52個(gè)副載波帶來(lái)不良影響。
注意，802.11a/g標準規定：低于-25dB 的發(fā)射機EVM支持54Mbps，低于-22dB的發(fā)射機EVM支持48Mbps 。
利用IQview 提供的信號分析軟件計算發(fā)射輸出功率的互補累積分布函數(CCDF)可以很容易地評估壓縮程度。在對測量信號進(jìn)行統計處理之后，CCDF曲線(xiàn)提供信號處于或高于指定功率電平(用相對于平均功率的dB表示)的概率估算值。
為了優(yōu)化功耗，還需要進(jìn)行某種程度的壓縮。假設導致調制不準確的所有其它原因已得到緩和，則可以校準發(fā)射功率電平以使測量的EVM值處在允許的容值范圍內。這基本上是要執行的最后一個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)校準步驟。因此，可快速測量所有802.11a/b/g信號EVM的單儀器測試設備，如IQview 就變得非常有用，特別是當將其用作PC控制的生產(chǎn)測試套件的組成部分時(shí)，可在基帶芯片組和RF部分自動(dòng)設定合適的控制和電平以將其輸出功率校準為最佳值。

結語(yǔ)
VSA、頻譜分析儀、功率表的能力與先進(jìn)的信號分析軟件組合可以簡(jiǎn)化802.11a/b/g WLAN發(fā)射機的優(yōu)化過(guò)程。無(wú)論是用作設計過(guò)程的組成部分，還是在生產(chǎn)車(chē)間使用，在時(shí)域、頻域以及調制域中快速評估EVM與其它測量指標的能力可縮短設計周期，提高生產(chǎn)效益，并直接改善總體產(chǎn)品質(zhì)量與收益率?！?/p>