通過誤差向量分析優(yōu)化接收機(jī)性能

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。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)性能測試儀通常用來測量不同輸入信噪比(SNR)條件下的誤碼率，但這種測量方法需要發(fā)送、接收和比較很長的位序列，從而耗費(fèi)很長的時(shí)間。一種較快速的方法能夠監(jiān)測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(wt+Q(t))描述，其中A(t)表示c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:EVM=〔爛七 |珈郁其中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)。EVM=} 4SNRxL當(dāng)使用偽隨機(jī)序列對原始基帶數(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3.84X106/12.2X103=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)制方式對應(yīng)的典型曲線。對于相同調(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)測給定接收機(jī)的BER性能。例如，如果對于未編碼的256QAM調(diào)制方式，測得EVM為3%，那么預(yù)測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7.5X10-5。43T43T四Is驢髭0.WKJ010.WKJ010.0M014-Erf4-Erf羋斷能圖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NR的關(guān)系曲線。b)相應(yīng)符號(hào)錯(cuò)誤概率域VM測量值的關(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。實(shí)際的測量與應(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)一10dBm@380MHz的LO驅(qū)動(dòng)電路。集成的前端可變增益放大器(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)功率測量器件，能夠測量從任意低頻到2.7GHz范圍內(nèi)的信號(hào)功率有效值。AD8362對不同波峰因數(shù)波形不敏感，因此是測量數(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AD8362TruPwr檢測器相結(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。內(nèi)部誤差放大器通過測量基帶功率有效值，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256QAMIMsps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泻艿偷娜貉訒r(shí)特性，這對于保證低的碼間串?dāng)_是必需的。最初曾測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Rohde&Schwarz公司的FSQ8向量信號(hào)分析儀測量基帶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。

通過測量期望輸入信號(hào)范圍內(nèi)的EVM值，可以很容易地估算出SER性能。將測量到的EVM數(shù)據(jù)與圖1曲線結(jié)合使用，可以預(yù)測接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。對于256QAM調(diào)制，EVM必須優(yōu)于2%圖3：符號(hào)率為IMsps、256QAM條件下誤差向量幅度EVM）與輸入功率關(guān)系曲線。左右以保證SER小于10-6對IF到基帶接收機(jī)子系統(tǒng)的測量結(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。對于信號(hào)鏈優(yōu)化和動(dòng)態(tài)性能預(yù)測，EVM分析是一個(gè)有效的工具。參考文獻(xiàn):"DigitalCommunications,2ndEdition",JohnG.Proakis,McGraw-HillInc.1989〃UniversalMobileTelecommunicationsSystem(UMTS);UTRA(BS)FDD;Radiotransmissionandreception(3GPPTS25.104version4.7.0Relea