射频放大器复调制性能分析

引言
 在无线通信设备中，由功率放大器造成的相位和幅值失真对通信质量有着直接的影响。在最新的通信系统协议中，分析功率放大器性能最重要的测量就是测量误差矢量幅值，即EVM。它衡量的是调制的精度，即功率放大器传输由不同相位和幅值的射频信号表示的信息的优劣。通过EVM测量能够观察到通信链路内部的情况，是衡量发射器性能的关键。在接收器一侧，EVM衡量的是接收器解调传输信号的优劣。
 随着各种现有的和新的信号协议与调制方法应用于新兴的无线通信标准，新一代射频测试仪器需要采用包括软件无限电（SDR）在内的新型数字架构实现方案去测试新的信号传输机制。新的仪器必须具有产生和分析多种类型调制信号的灵活性，必须能够在这些调制类型之间进行快速切换。因此，新的射频仪器必须能够快速而精确地测量多种不同调制格式的EVM指标。本文我们将分析这些新型仪器是如何精确测量EVM，从而对射频放大器性能进行充分的特征分析。
射频功率放大器
  给出了一个简化的通信系统，其中输入信号可以是语音或者数据。现代的大部分系统都把所有的模拟信号进行了数字化处理， 因此该通信系统实际上是全数字的。

 功率放大器是信号发射器的最后一级。这里任何幅值或相位失真都会直接影响整个系统的通信质量。

 为了实现最佳的性能，功率放大器通常尽可能地工作在最大的线性功率输出下。 在最大的线性输出功率之上是增益压缩区， 当功率放大器进入此压缩区时，就会出现幅值和相位失真现象。诸如OFDM之类的调制方法能够产生具有较高峰-均比的信号。这会迫使设计者“补偿”功率放大器的平均功率工作点，以确保峰值功率不会使放大器进入增益压缩区。对于多路信号调制方法和多路径外部环境，确保功率放大器远离增益压缩区是比较困难的。
 但是，功率放大器不是影响EVM的唯一组件。发射器的调制模块具有幅值和相位偏移以及载波泄漏，所有这些因素都会增大EVM误差。在接收器端，前置放大器、下变频器和解调器都会影响EVM误差。

关于EVM
 EVM表征的是调制精度，是衡量现代无线通信系统中数字调制质量的一项关键指标。EVM是发射信号的理想的测量分量I（同相位）和Q（正交相位）（称为基准信号“R”）与实际接收到的测量信号“M”的 I和Q分量幅值之间的矢量差。EVM适用于每一个发射和接收的符号。
通过EVM值可以观察到信号的质量，这是眼图或BER等测量性能指标无法表征的。EVM与误码率成正比，但是它比眼图或BER测试的速度更快，并且能够提供更多可供观察判断的信息。

 EVM和信噪比（SNR）以及信号与噪声加失真比（SNDR）也有直接的关系。我们可以通过EVM判断通信系统不同层次引入的实际误差，这能够帮助设计者查找某些具体的问题。

EVM的测量
 EVM测量的建立给出了一种典型的EVM测量设置。待测器件（DUT）是用于发射符合GSM/EDGE移动通信标准信号的功率放大器。我们以测试其EDGE调制的EVM性能。

 我们使用一台矢量信号发生器（VSG）产生具有所需频率、幅值和EDGE调制的射频信号。该射频信号通过待测的功率放大器进行发送，并在矢量信号分析仪（VSA）中进行解调，VSA负责测量并计算EVM。

 VSG和VSA的基准频率时钟连接在一起。这种方式消除了两台仪器之间的相对频率误差，大大加快了测量速度。这两台仪器通过它们的LAN（LXI）或GPIB端口与一台电脑相连。

 在这个例子中，我们将在放大器的工作频率范围上和输入功率的范围上测量EVM，以分析功率放大器的EVM是如何受频率和输入功率大小的影响的。
 通过鼠标、分析仪的触摸板或者电脑遥控的方式，很容易控制新型射频仪器的用户界面。
在这个测量例子中，频率始终保持在500MHz，而射频输入功率以0.1dB为步长从-40dBm变化到-20dBm。这样将有201个幅值步长（即测量点），每个步长的测量需要耗时200ms。直流偏压保持不变。调制信号是一个8PSK EDGE信号，在测量峰值EVM时，对每个幅值步长取20次测量结果的平均值。

 用矢量信号分析仪测试EVM与输入功率关系给出了详细的测量结果。其中下面的一幅图表示放大器增益与输入功率的关系（蓝线），该图显示标称增益约为19.5dB。它在输入功率为-28~-30dBm时开始下降。放大器增益在输入功率为-23.5dBm时降低1dB，在-20dBm时降低3dB。
 
 上面的一幅图表示EVM与功率的关系。标识了“失真线（Distorted Plot）”的红线是放大器的EVM，显然，随着功率放大器进入增益压缩区，EVM快速下降。在线性区中EVM只有不到1%。在1dB的压缩点EVM增长到20%左右，在3dB的压缩点EVM增长到40%以上。

 上面一幅图还显示了其他一些信息。标识了“基准线（Baseline Plot）”的绿线是分析仪的固有EVM噪声。它的EVM约为1%，远远优于所测压缩区中功率放大器的EVM。

 在这个测量例子中，分析仪在大约40秒的时间内进行了4020次精确的EVM测量。

 
 频率以10MHz为步长从400MHz变化到2.5GHz。这个实验中包含211个频率测量步长（即测量点），每个步长的测量耗时约220ms。射频输入功率稳定在-30dBm。 直流偏压保持不变。同样，调制信号是8PSK的EDGE信号，对每个频率步长取20次测量结果的平均值。

EVM与射频频率关系给出了更详细的测量结果。下面的一幅图给出了放大器增益与频率之间的关系（蓝线），该图表明在400～500MHz的频率范围内，增益约为19.5dB，而在高频下增益大幅度衰减，在2.5GHz下约为10dB。
 
上面的一幅图给出了EVM与频率之间的关系。该图表明EVM并不随频率而衰减。

而且，分析仪固有的EVM噪声相比功率放大器的EVM性能一样好，或者好得多。

这里，分析仪在大约46秒的时间内进行了4220次精确的EVM测量。

在这个例子中，DUT在其频率范围内都能够提供很好的调制质量。由于EDGE接收器不仅能够检测相位调制，即使是在幅值下降的情况下也仍然能够正确解调信号。EDGE使用8PSK调制信号，表明，它对EVM下降的敏感性较低。

虽然没有给出测试结果，但是我们必须在一定的偏压范围内对功率放大器的EVM进行特征分析，以决定EVM在哪个位置达到无法接受的水平。这对于将要用于移动产品中的器件尤其重要。当EVM达到阻止接收器正确解调发射信号的水平时，这时的偏压值决定了移动设备必须关机的电池电压。产品生产过程中必须检验在规定的电池低阈值电平之上移动设备是否仍然能够正常工作。

更复杂的是测量OFDM传输的EVM性能，OFDM传输实际上是一组工作在不同频率下的副载波，每个副载波传输一个唯一的符号，而且同时进行传输。这种调制方式将产生多个星图，使用多种调制技术。在任意时间点上，根据传输中各个符号状态的相位，组合的符号状态可能产生非常大或者非常小的功率输出。这就是设置功率放大器工作点尽可能减少功率放大器在增益压缩区内工作的关键所在。正如EVM与功率之间关系的分析结果所示，工作在增益压缩区会严重降低 EVM和调制质量。


SDR的优势
在SDR中，快速而强大的数字处理电路取代了传统的模拟电路。由于可以通过更改固件而不是硬连线电路来改变测量功能，因此这种设计更加灵活。基于SDR架构的产品也更加小巧、更加可靠，成本更低。

对测试成本的影响
除了能够提高测量质量之外，采用SDR架构的测试仪器还有很多方法可以降低测试的成本。

首先，测量时间缩短。先进的数字架构能够加快测量速度，而专门的合成器电路则加快了调谐时间。如果VSG和VSA采用相同的架构并采用协同工作的设计方式，那么系统集成时间也随之缩短了。

同时，仪器灵活的数字架构意味着可以通过软件的方式增加新的测量功能，而不用改动硬件。

结语
功率放大器和其他元件的相位和幅值失真直接影响着通信质量。EVM是衡量通信质量的一项关键指标，它的主要优势在于，测量速度比BER 测试更快，相比眼图或BER测试能够提供更多的诊断信息。但是，EVM不是仅仅一个数值，而是工作功率大小、工作频率和直流偏压的函数。此外，在OFDM 传输中，EVM是由多个信号组合而成。因此，必须在一定的参数范围内对发射器（或功率放大器）的性能进行特征分析和测试，以确保设备能够使用户获得可靠、正常工作。

新一代射频仪器，例如吉时利的射频测试系列仪器，采用了数字架构和SDR等创新技术，兼容已有的和新兴的高产能传输技术。这使得这类仪器能够实现很高的测量精度，同时大大提高了仪器的性价比，降低了测试成本。