《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計 > 設(shè)計應(yīng)用 > 射頻放大器復(fù)調(diào)制性能分析
射頻放大器復(fù)調(diào)制性能分析
摘要: 在無線通信設(shè)備中,由功率放大器造成的相位和幅值失真對通信質(zhì)量有著直接的影響。在最新的通信系統(tǒng)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(diào)制的精度,即功率放大器。
關(guān)鍵詞: 放大器 射頻 EVM
Abstract:
Key words :

引言
 在無線通信設(shè)備中,由功率放大器造成的相位和幅值失真對通信質(zhì)量有著直接的影響。在最新的通信系統(tǒng)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(diào)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EVM測量能夠觀察到通信鏈路內(nèi)部的情況,是衡量發(fā)射器性能的關(guān)鍵。在接收器一側(cè),EVM衡量的是接收器解調(diào)傳輸信號的優(yōu)劣。
 隨著各種現(xiàn)有的和新的信號協(xié)議與調(diào)制方法應(yīng)用于新興的無線通信標(biāo)準(zhǔn),新一代射頻測試儀器需要采用包括軟件無限電(SDR)在內(nèi)的新型數(shù)字架構(gòu)實現(xiàn)方案去測試新的信號傳輸機制。新的儀器必須具有產(chǎn)生和分析多種類型調(diào)制信號的靈活性,必須能夠在這些調(diào)制類型之間進(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(diào)制格式的EVM指標(biāo)。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
  給出了一個簡化的通信系統(tǒng),其中輸入信號可以是語音或者數(shù)據(jù)。現(xiàn)代的大部分系統(tǒng)都把所有的模擬信號進(jìn)行了數(shù)字化處理, 因此該通信系統(tǒng)實際上是全數(shù)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直接影響整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

 為了實現(xiàn)最佳的性能,功率放大器通常盡可能地工作在最大的線性功率輸出下。 在最大的線性輸出功率之上是增益壓縮區(qū), 當(dāng)功率放大器進(jìn)入此壓縮區(qū)時,就會出現(xiàn)幅值和相位失真現(xiàn)象。諸如OFDM之類的調(diào)制方法能夠產(chǎn)生具有較高峰-均比的信號。這會迫使設(shè)計者“補償”功率放大器的平均功率工作點,以確保峰值功率不會使放大器進(jìn)入增益壓縮區(qū)。對于多路信號調(diào)制方法和多路徑外部環(huán)境,確保功率放大器遠(yuǎn)離增益壓縮區(qū)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(diào)制模塊具有幅值和相位偏移以及載波泄漏,所有這些因素都會增大EVM誤差。在接收器端,前置放大器、下變頻器和解調(diào)器都會影響EVM誤差。

關(guān)于EVM
 EVM表征的是調(diào)制精度,是衡量現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制質(zhì)量的一項關(guān)鍵指標(biāo)。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)(稱為基準(zhǔn)信號“R”)與實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適用于每一個發(fā)射和接收的符號。
通過EVM值可以觀察到信號的質(zhì)量,這是眼圖或BER等測量性能指標(biāo)無法表征的。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EVM判斷通信系統(tǒng)不同層次引入的實際誤差,這能夠幫助設(shè)計者查找某些具體的問題。

EVM的測量
 EVM測量的建立給出了一種典型的EVM測量設(shè)置。待測器件(DUT)是用于發(fā)射符合GSM/EDGE移動通信標(biāo)準(zhǔn)信號的功率放大器。我們以測試其EDGE調(diào)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(diào)制的射頻信號。該射頻信號通過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(diào),VSA負(fù)責(zé)測量并計算EVM。

 VSG和VSA的基準(zhǔn)頻率時鐘連接在一起。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。這兩臺儀器通過它們的LAN(LXI)或GPIB端口與一臺電腦相連。

 在這個例子中,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。
 通過鼠標(biāo)、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界面。
在這個測量例子中,頻率始終保持在500MHz,而射頻輸入功率以0.1dB為步長從-40dBm變化到-20dBm。這樣將有201個幅值步長(即測量點),每個步長的測量需要耗時200ms。直流偏壓保持不變。調(diào)制信號是一個8PSK EDGE信號,在測量峰值EVM時,對每個幅值步長取20次測量結(jié)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(xì)的測量結(jié)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(lán)線),該圖顯示標(biāo)稱增益約為19.5dB。它在輸入功率為-28~-30dBm時開始下降。放大器增益在輸入功率為-23.5dBm時降低1dB,在-20dBm時降低3dB。
 
 上面的一幅圖表示EVM與功率的關(guān)系。標(biāo)識了“失真線(Distorted Plot)”的紅線是放大器的EVM,顯然,隨著功率放大器進(jìn)入增益壓縮區(qū),EVM快速下降。在線性區(qū)中EVM只有不到1%。在1dB的壓縮點EVM增長到20%左右,在3dB的壓縮點EVM增長到40%以上。

 上面一幅圖還顯示了其他一些信息。標(biāo)識了“基準(zhǔn)線(Baseline Plot)”的綠線是分析儀的固有EVM噪聲。它的EVM約為1%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于所測壓縮區(qū)中功率放大器的EVM。

 在這個測量例子中,分析儀在大約40秒的時間內(nèi)進(jìn)行了4020次精確的EVM測量。

 
 頻率以10MHz為步長從400MHz變化到2.5GHz。這個實驗中包含211個頻率測量步長(即測量點),每個步長的測量耗時約220ms。射頻輸入功率穩(wěn)定在-30dBm。 直流偏壓保持不變。同樣,調(diào)制信號是8PSK的EDGE信號,對每個頻率步長取20次測量結(jié)果的平均值。

EVM與射頻頻率關(guān)系給出了更詳細(xì)的測量結(jié)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(lán)線),該圖表明在400~500MHz的頻率范圍內(nèi),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秒的時間內(nèi)進(jìn)行了4220次精確的EVM測量。

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

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

更復(fù)雜的是測量OFDM傳輸?shù)腅VM性能,OFDM傳輸實際上是一組工作在不同頻率下的副載波,每個副載波傳輸一個唯一的符號,而且同時進(jìn)行傳輸。這種調(diào)制方式將產(chǎn)生多個星圖,使用多種調(diào)制技術(shù)。在任意時間點上,根據(jù)傳輸中各個符號狀態(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(shè)置功率放大器工作點盡可能減少功率放大器在增益壓縮區(qū)內(nèi)工作的關(guān)鍵所在。正如EVM與功率之間關(guān)系的分析結(jié)果所示,工作在增益壓縮區(qū)會嚴(yán)重降低 EVM和調(diào)制質(zhì)量。


SDR的優(yōu)勢
在SDR中,快速而強大的數(shù)字處理電路取代了傳統(tǒng)的模擬電路。由于可以通過更改固件而不是硬連線電路來改變測量功能,因此這種設(shè)計更加靈活。基于SDR架構(gòu)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(gòu)的測試儀器還有很多方法可以降低測試的成本。

首先,測量時間縮短。先進(jìn)的數(shù)字架構(gòu)能夠加快測量速度,而專門的合成器電路則加快了調(diào)諧時間。如果VSG和VSA采用相同的架構(gòu)并采用協(xié)同工作的設(shè)計方式,那么系統(tǒng)集成時間也隨之縮短了。

同時,儀器靈活的數(shù)字架構(gòu)意味著可以通過軟件的方式增加新的測量功能,而不用改動硬件。

結(jié)語
功率放大器和其他元件的相位和幅值失真直接影響著通信質(zhì)量。EVM是衡量通信質(zhì)量的一項關(guān)鍵指標(biāo),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不是僅僅一個數(shù)值,而是工作功率大小、工作頻率和直流偏壓的函數(shù)。此外,在OFDM 傳輸中,EVM是由多個信號組合而成。因此,必須在一定的參數(shù)范圍內(nèi)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(shè)備能夠使用戶獲得可靠、正常工作。

新一代射頻儀器,例如吉時利的射頻測試系列儀器,采用了數(shù)字架構(gòu)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)。這使得這類儀器能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測量精度,同時大大提高了儀器的性價比,降低了測試成本。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。