Bruce Hemp, 高級應用工程師

Peter Stroet, 設計工程師

誤差矢量幅度 (EVM) 是數字調制準確度的一種標量測量，對于任何數字調制信號源來(lái)說(shuō)都是一項重要的品質(zhì)因數。在發(fā)送器調制器中實(shí)現低 EVM 是很重要，因為一個(gè)信號的 EVM 在通過(guò)發(fā)送 / 接收鏈路的每個(gè)組件時(shí)都將發(fā)生劣化。發(fā)送器上變頻轉換器、濾波器、功率放大器、接收器、甚至包括通信通道均會(huì )損害信號質(zhì)量。

并不存在針對 EVM 測量和計算的單一業(yè)界標準。相反，獨立系統 (例如：Bluetooth、802.11、DVB、PHS) 規定了用于該標準的測量。然而，這種方法會(huì )產(chǎn)生不確定性，比如：怎樣針對每種符號來(lái)實(shí)現 EVM 的歸一化以及需要校正測量中的哪些參數 (例如：頻率誤差、I/Q 偏移、正交相位誤差、增益不平衡)。當采用來(lái)自不同制造商的矢量信號分析儀 (VSA) 時(shí)，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(shí)也會(huì )出現這樣的情況。

圖 1 示出了采用 VSA 來(lái)測量調制準確度的情形。VSA 對位于某一給定中心頻率和帶寬的輸入信號進(jìn)行下變頻轉換和數字化處理，調制方案、符號率、測量濾波器和其他信號參數則由用戶(hù)規定。該數據代表了測得的信號，VSA 對其進(jìn)行數字解調以恢復源數字數據流。運用恢復的源數據、調制方案和其他因子，VSA 以數學(xué)方法生成理想的基準信號。VSA 隨后計算誤差矢量，即歸一化至峰值信號電平的實(shí)測信號矢量與基準數據矢量之間的差異。均方根 (RMS) 和峰值 EVM 標量值從誤差矢量中提取。

圖 1：VSA 通過(guò)比較實(shí)測輸入信號與理想再生基準信號來(lái)確定 EVM

EVM 性能的特性分析

本文以凌力爾特的 LTC5598 為例，說(shuō)明了 VSA 是怎樣對 I/Q 調制器的 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制器。16-QAM 是一種相對常用的數字調制類(lèi)型和表現調制器準確度的良好工具。16-QAM 是許多無(wú)線(xiàn)系統的基礎，包括LTE / LTE-Advanced、HSDPA、EDGE Evo、CDMA2000 EV-DO、認知無(wú)線(xiàn)電 (Cognitive Radio) IEEE 802.22 (電視白區)、PHS 和 TETRA。¹

圖 2 示出了用于評估 I/Q 調制器的測試設置，表 1 概要列出了針對下列每種測量的測試條件。當采用一個(gè) 450MHz LO 信號且驅動(dòng)功率為 0dBm時(shí)，安裝在一塊標準演示板上的 LTC5598 典型 EVM 性能² 為 0.34% (rms) 和 0.9% (峰值)，見(jiàn)圖 3。在諧波濾波器之后測得的輸出功率為 0.4dBm。采用相同的設置，一個(gè)具有相同的幅度、頻率和數字調制方式的實(shí)驗室級信號發(fā)生器的實(shí)測 EVM 性能為 0.28% (rms) 和 0.8% (峰值)。對比結果我們發(fā)現：LTC5598 的調制準確度與用于對其進(jìn)行測量的測試設備幾乎一樣好。

圖 2：用于 EVM 測量的測試設置

圖 3：450MHz LO 信號條件下的 EVM

表 1: EVM 測試參數

450MHz LO 和 0dBm 下的基線(xiàn) EVM (見(jiàn)圖 3)

基帶調制

• 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

基帶驅動(dòng)

• V_EMF = 0.8V 差分，如羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz) AMIQ 軟件所指示；V_EMF = 1.15V_P-P 差分，按照實(shí)測值
• 偏置電壓 = 0.5V

VSA 測量濾波器

• RRC，α = 0.35

VSA 基準濾波器

• 根余弦 (RC)

EVM 與 I/Q 驅動(dòng)功率之間的關(guān)系 (見(jiàn)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 驅動(dòng)功率：0dBm

EVM 與 LO 頻率之間的關(guān)系 (見(jiàn)圖 5)                                       

• LO 驅動(dòng)功率：0dBm
• 16-QAM
• 1 MSPS 符號率
• RRC，α = 0.35 (峰值與平均值之比 = 5.4dB)
• V_EMF = 0.8V 差分，如羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz) AMIQ 軟件所指示；V_EMF = 1.15V_P-P  差分，按照實(shí)測值
• 偏置電壓 = 0.5V

當基帶輸入電平把峰值調制器驅動(dòng)至壓縮狀態(tài)時(shí)，EVM 快速增加 (見(jiàn)圖 4)。最大 RMS 輸出功率可按以下方式來(lái)估算：

      +8.4dBm   LTC5598 輸出 P_1dB 典型值 (在 f_RF = 450MHz)

      -5.4dB     16-QAM 測試波形的波峰因數

=  +3.0dBm   平均輸出功率                                  (1)

(峰值將位于 1dB 壓縮點(diǎn))

圖 4：EVM 與調制器輸出功率的關(guān)系

當輸出電平處在 1dB 壓縮點(diǎn)時(shí)，EVM 對于應用而言或許過(guò)高，這將降低從調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) 的調制方式之系統來(lái)說(shuō)，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(jiàn)圖 5)。在低于 30MHz 的 LO 頻率下，通過(guò)增加 LO 驅動(dòng)功率可降低 EVM。在頻段的兩個(gè)邊沿上，影響 LTC5598 EVM 的主要因素都是 I/Q 正交相位誤差 (見(jiàn)表 2)。另外，還存在一些 I/Q 增益不平衡，不過(guò)它對整體 EVM 并沒(méi)有多大的影響。邊帶抑制是相位和增益不平衡的集總效應。

圖 5：EVM 與 LO 頻率的關(guān)系

在必要時(shí)，作為功率放大器閉環(huán)數字預失真 (DPD) 系統的一部分，可在基帶或某些發(fā)送鏈路中對這些誤差項進(jìn)行開(kāi)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，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)行自適應校正，以最大限度地抑制誤差。對于產(chǎn)生誤差的根源是調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(shuō)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 調制器獲得最佳的 EVM 性能，那么 I/Q 基帶就應該 “干凈”。這意味著(zhù) I/Q 數模轉換器 (DAC) 時(shí)鐘應具有低的相位噪聲和抖動(dòng)，DAC 重構濾波器不應侵占基帶帶寬，而且基帶 I/Q 信號通路應具備平坦的頻率響應。另外，LO 信號源也應當干凈。LO 相位噪聲會(huì )增加無(wú)法在下游予以消除的隨機相位誤差，這將增加 EVM。LO 諧波將引起正交相位誤差，因此 LO 的選擇應該遵循調制器產(chǎn)品手冊中給出的建議。

諸如 LTC5598 等商用 I/Q 調制器可在常用的 VHF 和 UHF 通信頻段內提供卓越的數字調制準確度。其性能或許能夠與實(shí)驗室級信號發(fā)生器相當。如果需要的話(huà)，可通過(guò)正交相位誤差或增益不平衡的基帶校正來(lái)改善 EVM。