通過誤差向量分析優(yōu)化接收機(jī)性能

　　誤差向量分析是一種用幅度誤差和相位誤差定量表示發(fā)射機(jī)或接收機(jī)性能的方法。通過采用具有誤差向量分析功能的向量信號(hào)分析儀，工程師可以在線研究信號(hào)空間的幅度值和相位誤差，同時(shí)可以調(diào)整接收機(jī)鏈路參數(shù)。

　　為了調(diào)整接收機(jī)參數(shù)以獲得最佳性能，有必要將給定接收機(jī)與理想接收機(jī)作性能比較，比較的方法有多種。誤碼率(BER)性能測(cè)試儀通常用來測(cè)量不同輸入信噪比(SNR)條件下的誤碼率，但這種測(cè)量方法需要發(fā)送、接收和比較很長(zhǎng)的位序列，從而耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。一種較快速的方法能夠監(jiān)測(cè)較短位序列的誤差向量，這可以用具有誤差向量分析功能的現(xiàn)代向量信號(hào)分析儀(VSA)完成。這種方法允許工程師在線研究信號(hào)空間的幅度值和相位誤差，同時(shí)可以調(diào)整接收機(jī)鏈路參數(shù)，例如中間級(jí)匹配電路、級(jí)聯(lián)增益和衰減的分布以及濾波器選擇。

　　誤差向量分析

　　誤差向量分析是一種用幅度誤差和相位誤差定量表示發(fā)射機(jī)或接收機(jī)性能的方法。一般情況下，任何數(shù)字調(diào)制都可以用一個(gè)信號(hào)波形z(t)=A(t)cos(wct+Q(t))描述，其中A(t)表示瞬時(shí)幅度變量，Q(t)表示瞬時(shí)相位變量。一般情況下，將基帶數(shù)據(jù)分解成I向量和Q向量，再用正交調(diào)制器或直接合成將其調(diào)制成期望的載波角頻率wc。得到的復(fù)合調(diào)制波形包含正交的I和Q數(shù)據(jù)，這一結(jié)果可以在載波頻率上進(jìn)行分析，也可以將其解調(diào)到基帶直接分析I、Q基帶向量。全球有幾家設(shè)備制造商提供具有上述功能的VSA。

　　VSA測(cè)量每個(gè)發(fā)送符號(hào)的幅度和相位，具有誤差向量分析功能的VSA計(jì)算被測(cè)向量與最靠近理想星座點(diǎn)之間的誤差向量。首先，必須向VSA提供適當(dāng)?shù)牟ㄐ螀?shù)，例如符號(hào)率、脈沖整形濾波器參數(shù)和調(diào)制方式。如果誤差向量幅度(EVM)過大，致使VSA不能正確估計(jì)預(yù)期的符號(hào)向量，得到的結(jié)果誤差很大并且不可靠。特別是在非常密集的調(diào)制方式中，例如高階QAM調(diào)制。如果要對(duì)過多的被破壞信號(hào)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，誤差向量幾乎不能提供信息。在大多數(shù)情況下，向量分析用于優(yōu)化性能而不是用于校驗(yàn)功能，因此對(duì)于數(shù)值很高但精度很低的EVM通常是可以接受的。誤差向量分析作為一種優(yōu)化現(xiàn)有功能設(shè)計(jì)的工具是非常有用的，而不是調(diào)試工具。

　　在時(shí)間采樣系統(tǒng)中，EVM可由下式定義：

　　(1)

　　其中Z(k)是復(fù)合接收信號(hào)向量，由I和Q分量組成；R(k)是理想的復(fù)合參考向量。誤差向量幅度是誤差向量功率有效值和參考向量功率有效值的比值，用于度量接收機(jī)的性能，與SNR和BER密切相關(guān)。對(duì)于任何編碼增益，EVM都與SNR的平方根成正比，如公式2所示(其中L為編碼增益)。

　　(2)

　　當(dāng)使用偽隨機(jī)序列對(duì)原始基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)(例如在CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)中使用的偽隨機(jī)序列),編碼增益會(huì)起作用。這類系統(tǒng)中的編碼增益是碼片率與基帶數(shù)據(jù)速率的比值。例如，UMTS收發(fā)機(jī)以3.84Mchips/s的碼片率發(fā)送一個(gè)12.2kbps的數(shù)據(jù)流，得到的編碼增益為3.84×106/12.2×103=314.75，或者表示為25dB。

　　為了將EVM和BER聯(lián)系起來，有必要確定SNR與給定調(diào)制方式下符號(hào)錯(cuò)誤概率的關(guān)系式。對(duì)于QAM調(diào)制，符號(hào)錯(cuò)誤的概率可由下式表示：

　　(3)

　　其中 M為調(diào)制階數(shù)(例如對(duì)于64QAM, M=64)；rb是每位的平均SNR；k是每符號(hào)的位數(shù)(例如對(duì)于64QAM，每個(gè)復(fù)合符號(hào)為6位)。

　　利用公式2和3可以求出不同SNR對(duì)應(yīng)的誤符號(hào)率(SER)和EVM，SER和SNR的關(guān)系曲線如圖1a所示，這里提供了不同階數(shù)QAM調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的典型曲線。對(duì)于相同調(diào)制方式的SER和EVM的關(guān)系曲線如圖1b所示，這使得設(shè)計(jì)工程師能夠使用誤差向量分析方法預(yù)測(cè)給定接收機(jī)的BER性能。例如，如果對(duì)于未編碼的256QAM調(diào)制方式，測(cè)得EVM為3%，那么預(yù)測(cè)SER應(yīng)該為600ppm。換句話說，平均每10,000個(gè)符號(hào)序列中預(yù)期會(huì)有6個(gè)錯(cuò)誤符號(hào)，相應(yīng)在1百萬位序列中有75位誤碼，即BER為7.5×10-5。

　　圖1：a)未編碼的16QAM、64QAM和256QAM調(diào)制方式的符號(hào)錯(cuò)誤理論概率值與SNR的關(guān)系曲線。b)相應(yīng)符號(hào)錯(cuò)誤概率與EVM測(cè)量值的關(guān)系曲線。

　　設(shè)計(jì)工程師利用圖1a和1b中的數(shù)據(jù)以及適當(dāng)?shù)腣SA可以實(shí)時(shí)優(yōu)化性能。在觀察EVM性能的同時(shí)，濾波器選擇、中間級(jí)匹配電路和轉(zhuǎn)換增益等參數(shù)都可以進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)計(jì)工程師能夠快速優(yōu)化他們的信號(hào)鏈路。下面的例子通過用誤碼向量分析方法定量地分析一個(gè)接收機(jī)子系統(tǒng)性能，證明這種方法的優(yōu)勢(shì)。

　　實(shí)際的測(cè)量與應(yīng)用

　　圖2給出了正交解調(diào)器和高精度有效值功率檢測(cè)器，它們構(gòu)成一種閉環(huán)自動(dòng)電平控制(ALC)中頻(IF)到基帶接收機(jī)子系統(tǒng)。AD8348提供50MHz～1GHz的高精度正交解調(diào)，本地振蕩器(LO)頻率為期望載波的兩倍，內(nèi)置LO分頻器允許采用采用LO，這樣可以緩解全雙工收發(fā)機(jī)存在的LO頻率牽引(LO-pulling)問題。在本例中，IF輸入頻率為190MHz，采用了一個(gè)－10dBm@380MHz的LO驅(qū)動(dòng)電路。集成的前端可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)由一個(gè)電阻式可變衰減器和高截取點(diǎn)(intercept-point)后置放大器組成，用于提供可變轉(zhuǎn)換增益，同時(shí)保持恒定的無雜散動(dòng)態(tài)范圍。AD8362是高精度射頻(RF)功率測(cè)量器件，能夠測(cè)量從任意低頻到2.7 GHz范圍內(nèi)的信號(hào)功率有效值。AD8362對(duì)不同波峰因數(shù)波形不敏感，因此是測(cè)量數(shù)字調(diào)制信號(hào)功率真實(shí)有效值的理想解決方案。

　　圖2：AD8348正交解調(diào)器與AD8362 TruPwr檢測(cè)器相結(jié)合，提供高精度中頻到基帶接收機(jī)子系統(tǒng)的自動(dòng)電平控制。

　　圖2所示電路用于測(cè)量I通道基帶信號(hào)的功率有效值。假設(shè)I向量和Q向量都是偽隨機(jī)的，這一假設(shè)對(duì)于大多數(shù)數(shù)字調(diào)制方式都是合理的，那么可以任意選擇I通道或Q通道檢測(cè)。內(nèi)部誤差放大器通過測(cè)量基帶功率有效值，生成一個(gè)控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)正交解調(diào)器的增益控制端口。通過閉環(huán)形式自適應(yīng)地調(diào)節(jié)解調(diào)器的轉(zhuǎn)換增益，以保持恒定的基帶有效功率電平，與波形無關(guān)。通過對(duì)VSET引腳采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)定點(diǎn)控制電壓來設(shè)置輸出電平。誤差向量分析用于找出最佳ALC輸出設(shè)定值，并確定適合256QAM 1Msps數(shù)字調(diào)制的濾波器。

　　解調(diào)器為低通濾波器應(yīng)用提供一個(gè)單端接口。在I和Q通道都使用4階貝塞爾(Bessel)濾波器，以使寬帶噪聲最小化，并幫助濾除無用的鄰頻信號(hào)。選用貝塞爾濾波器是因?yàn)樗泻艿偷娜?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/延時(shí)特性">延時(shí)特性，這對(duì)于保證低的碼間串?dāng)_是必需的。最初曾測(cè)試過巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器，但是由于它們的通帶群延時(shí)較大，導(dǎo)致EVM性能變壞。采用經(jīng)典的方法很難測(cè)量出不同濾波器選擇造成的接收機(jī)性能的細(xì)微差異。VSA可以快速測(cè)量性能，從而可以在短時(shí)間內(nèi)優(yōu)化濾波器網(wǎng)絡(luò)。

　　使用RohdeSchwarz公司的FSQ8向量信號(hào)分析儀測(cè)量基帶EVM。在觀察EVM的同時(shí)，可以調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)控制電壓以確定最佳設(shè)置。如圖3所示，選擇合適的設(shè)定點(diǎn)電壓在大于40dB的輸入范圍內(nèi)可使EVM優(yōu)于2%。解調(diào)器的可變轉(zhuǎn)換增益允許接收機(jī)設(shè)計(jì)在比固定增益解調(diào)器寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有最佳的BER特性。

　　圖3：符號(hào)率為1Msps、256QAM條件下誤差向量幅度(EVM)與輸入功率關(guān)系曲線。

　　通過測(cè)量期望輸入信號(hào)范圍內(nèi)的EVM值，可以很容易地估算出SER性能。將測(cè)量到的EVM數(shù)據(jù)與圖1曲線結(jié)合使用，可以預(yù)測(cè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于256QAM調(diào)制，EVM必須優(yōu)于2%左右以保證SER小于10-6。對(duì)IF到基帶接收機(jī)子系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果表明，在SER惡化到不能接受的程度之前，接收機(jī)允許輸入功率變化范圍超過40dB。對(duì)于信號(hào)鏈優(yōu)化和動(dòng)態(tài)性能預(yù)測(cè)，EVM分析是一個(gè)有效的工具。

　　參考文獻(xiàn)：

　　"Digital Communications, 2nd Edition", John G. Proakis, McGraw-Hill Inc. 1989 "Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); UTRA (BS) FDD; Radio transmission and reception (3GPP TS 25.104 version 4.7.0 Release 4)", ETSI TS 125 104 V4.7.0, 2003 "Principles of Communication Systems, 2nd Edition", Herbert Taub and Donald L. Schilling, McGraw-Hill Inc. 1986

　　作者：Eric Newman

　　高級(jí)應(yīng)用工程師

　　美國(guó)模擬器件公司