| 凌力爾特公司
Bruce Hemp, 高級應(yīng)用工程師
Peter Stroet, 設(shè)計(jì)工程師
誤差矢量幅度 (EVM) 是數(shù)字調(diào)制準(zhǔn)確度的一種標(biāo)量測量，對于任何數(shù)字調(diào)制信號源來說都是一項(xiàng)重要的品質(zhì)因數(shù)。在發(fā)送器調(diào)制器中實(shí)現(xiàn)低 EVM 是很重要，因?yàn)橐粋�信號的 EVM 在通過發(fā)送 / 接收鏈路的每個組件時都將發(fā)生劣化。發(fā)送器上變頻轉(zhuǎn)換器、濾波器、功率放大器、接收器、甚至包括通信通道均會損害信號質(zhì)量。
并不存在針對 EVM 測量和計(jì)算的單一業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。相反，獨(dú)立系統(tǒng) (例如：Bluetooth、802.11、DVB、PHS) 規(guī)定了用于該標(biāo)準(zhǔn)的測量。然而，這種方法會產(chǎn)生不確定性，比如：怎樣針對每種符號來實(shí)現(xiàn) EVM 的歸一化以及需要校正測量中的哪些參數(shù) (例如：頻率誤差、I/Q 偏移、正交相位誤差、增益不平衡)。當(dāng)采用來自不同制造商的矢量信號分析儀 (VSA) 時，EVM 測量將有所不同，甚至在使用同一家制造商的不同型號 VSA 時也會出現(xiàn)這樣的情況。
圖 1 示出了采用 VSA 來測量調(diào)制準(zhǔn)確度的情形。VSA 對位于某一給定中心頻率和帶寬的輸入信號進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理，調(diào)制方案、符號率、測量濾波器和其他信號參數(shù)則由用戶規(guī)定。該數(shù)據(jù)代表了測得的信號，VSA 對其進(jìn)行數(shù)字解調(diào)以恢復(fù)源數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。運(yùn)用恢復(fù)的源數(shù)據(jù)、調(diào)制方案和其他因子，VSA 以數(shù)學(xué)方法生成理想的基準(zhǔn)信號。VSA 隨后計(jì)算誤差矢量，即歸一化至峰值信號電平的實(shí)測信號矢量與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)矢量之間的差異。均方根 (RMS) 和峰值 EVM 標(biāo)量值從誤差矢量中提取。
圖 1：VSA 通過比較實(shí)測輸入信號與理想再生基準(zhǔn)信號來確定 EVM
EVM 性能的特性分析
本文以凌力爾特的 LTC5598 為例，說明了 VSA 是怎樣對 I/Q 調(diào)制器的 EVM性能實(shí)施特性分析的。該器件是一款覆蓋了 5MHz 至 1600MHz 頻率范圍的直接正交調(diào)制器。16-QAM 是一種相對常用的數(shù)字調(diào)制類型和表現(xiàn)調(diào)制器準(zhǔn)確度的良好工具。16-QAM 是許多無線系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括LTE / LTE-Advanced、HSDPA、EDGE Evo、CDMA2000 EV-DO、認(rèn)知無線電 (Cognitive Radio) IEEE 802.22 (電視白區(qū))、PHS 和 TETRA。1
圖 2 示出了用于評估 I/Q 調(diào)制器的測試設(shè)置，表 1 概要列出了針對下列每種測量的測試條件。當(dāng)采用一個 450MHz LO 信號且驅(qū)動功率為 0dBm時，安裝在一塊標(biāo)準(zhǔn)演示板上的 LTC5598 典型 EVM 性能2 為 0.34% (rms) 和 0.9% (峰值)，見圖 3。在諧波濾波器之后測得的輸出功率為 0.4dBm。采用相同的設(shè)置，一個具有相同的幅度、頻率和數(shù)字調(diào)制方式的實(shí)驗(yàn)室級信號發(fā)生器的實(shí)測 EVM 性能為 0.28% (rms) 和 0.8% (峰值)。對比結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)：LTC5598 的調(diào)制準(zhǔn)確度與用于對其進(jìn)行測量的測試設(shè)備幾乎一樣好。
圖 2：用于 EVM 測量的測試設(shè)置
圖 3：450MHz LO 信號條件下的 EVM
表 1: EVM 測試參數(shù)
450MHz LO 和 0dBm 下的基線 EVM (見圖 3)
基帶調(diào)制
- 16-QAM (每符號 4 位，峰值與平均值之比 = 5.4dB)
- 1 MSPS 符號率
- PN9
- 根升余弦 (RRC) 濾波器，α = 0.35
基帶驅(qū)動
- VEMF = 0.8V 差分，如羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz) AMIQ 軟件所指示；VEMF = 1.15VP-P 差分，按照實(shí)測值
- 偏置電壓 = 0.5V
VSA 測量濾波器
VSA 基準(zhǔn)濾波器
EVM 與 I/Q 驅(qū)動功率之間的關(guān)系 (見圖 4)
- 16-QAM
- 1 MSPS 符號率
- RRC，升余弦，α = 0.35 (峰值與平均值之比 = 5.4dB)
- 偏置電壓 = 0.5V DC
- LO 驅(qū)動功率：0dBm
EVM 與 LO 頻率之間的關(guān)系 (見圖 5)
- LO 驅(qū)動功率：0dBm
- 16-QAM
- 1 MSPS 符號率
- RRC，α = 0.35 (峰值與平均值之比 = 5.4dB)
- VEMF = 0.8V 差分，如羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz) AMIQ 軟件所指示；VEMF = 1.15VP-P 差分，按照實(shí)測值
- 偏置電壓 = 0.5V
當(dāng)基帶輸入電平把峰值調(diào)制器驅(qū)動至壓縮狀態(tài)時，EVM 快速增加 (見圖 4)。最大 RMS 輸出功率可按以下方式來估算：
+8.4dBm LTC5598 輸出 P1dB 典型值 (在 fRF = 450MHz)
-5.4dB 16-QAM 測試波形的波峰因數(shù)
= +3.0dBm 平均輸出功率 (1)
(峰值將位于 1dB 壓縮點(diǎn))
圖 4：EVM 與調(diào)制器輸出功率的關(guān)系
當(dāng)輸出電平處在 1dB 壓縮點(diǎn)時，EVM 對于應(yīng)用而言或許過高，這將降低從調(diào)制器獲得的可用平均功率。對于那些采用了一種具較高“峰值至平均值”之比 (波峰因數(shù)) 的調(diào)制方式之系統(tǒng)來說，可用輸出功率將進(jìn)一步下降。
毫不奇怪，EVM 隨 LO 頻率發(fā)生的變化在頻段的中部是最低的 (見圖 5)。在低于 30MHz 的 LO 頻率下，通過增加 LO 驅(qū)動功率可降低 EVM。在頻段的兩個邊沿上，影響 LTC5598 EVM 的主要因素都是 I/Q 正交相位誤差 (見表 2)。另外，還存在一些 I/Q 增益不平衡，不過它對整體 EVM 并沒有多大的影響。邊帶抑制是相位和增益不平衡的集總效應(yīng)。
圖 5：EVM 與 LO 頻率的關(guān)系
在必要時，作為功率放大器閉環(huán)數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 系統(tǒng)的一部分，可在基帶或某些發(fā)送鏈路中對這些誤差項(xiàng)進(jìn)行開環(huán)校正。雖然 DPD 校正這一主題并不在本文所涉及的范圍之內(nèi)，但是 DPD 環(huán)路將擁有其自己的接收器，能夠測量發(fā)送 EVM 并針對基帶波形進(jìn)行自適應(yīng)校正，以最大限度地抑制誤差。對于產(chǎn)生誤差的根源是調(diào)制器還是功率放大器 (PA)，抑或是兩者兼而有之，DPD 并不知曉，或者說并不關(guān)心。
表 2: LTC5598 正交相位誤差、增益不平衡和邊帶抑制
優(yōu)化 EVM 性能
要想從 I/Q 調(diào)制器獲得最佳的 EVM 性能，那么 I/Q 基帶就應(yīng)該 “干凈”。這意味著 I/Q 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時鐘應(yīng)具有低的相位噪聲和抖動，DAC 重構(gòu)濾波器不應(yīng)侵占基帶帶寬，而且基帶 I/Q 信號通路應(yīng)具備平坦的頻率響應(yīng)。另外，LO 信號源也應(yīng)當(dāng)干凈。LO 相位噪聲會增加無法在下游予以消除的隨機(jī)相位誤差，這將增加 EVM。LO 諧波將引起正交相位誤差，因此 LO 的選擇應(yīng)該遵循調(diào)制器產(chǎn)品手冊中給出的建議。
諸如 LTC5598 等商用 I/Q 調(diào)制器可在常用的 VHF 和 UHF 通信頻段內(nèi)提供卓越的數(shù)字調(diào)制準(zhǔn)確度。其性能或許能夠與實(shí)驗(yàn)室級信號發(fā)生器相當(dāng)。如果需要的話，可通過正交相位誤差或增益不平衡的基帶校正來改善 EVM。 |
