| 凌力爾特公司
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說都是一項重要的品質因數。在發送器調制器中實現低 EVM 是很重要，因為一個信號的 EVM 在通過發送 / 接收鏈路的每個組件時都將發生劣化。發送器上變頻轉換器、濾波器、功率放大器、接收器、甚至包括通信通道均會損害信號質量。
并不存在針對 EVM 測量和計算的單一業界標準。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，這種方法會產生不確定性，比如：怎樣針對每種符號來實現 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 時也會出現這樣的情況。
圖 1 示出了采用 VSA 來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規定。該數據代表了測得的信號，VSA 對其進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 通過比較實測輸入信號與理想再生基準信號來確定 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 調制器的 EVM性能實施特性分析的。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型和表現調制器準確度的良好工具。16-QAM 是許多無線系統的基礎，包括LTE / LTE-Advanced、HSDPA、EDGE Evo、CDMA2000 EV-DO、認知無線電 (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 450MHz LO 信號且驅動功率為 0dBm時，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，一個具有相同的幅度、頻率和數字調制方式的實驗室級信號發生器的實測 EVM 性能為 0.28% (rms) 和 0.8% (峰值)。對比結果我們發現：LTC5598 的調制準確度與用于對其進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 EVM (見圖 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
- 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，按照實測值
- 偏置電壓 = 0.5V
VSA 測量濾波器
VSA 基準濾波器
EVM 與 I/Q 驅動功率之間的關系 (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 驅動功率：0dBm
EVM 與 LO 頻率之間的關系 (見圖 5)
- LO 驅動功率：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，按照實測值
- 偏置電壓 = 0.5V
當基帶輸入電平把峰值調制器驅動至壓縮狀態時，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
= +3.0dBm 平均輸出功率 (1)
(峰值將位于 1dB 壓縮點)
圖 4：EVM 與調制器輸出功率的關系
當輸出電平處在 1dB 壓縮點時，EVM 對于應用而言或許過高，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說，可用輸出功率將進一步下降。
毫不奇怪，EVM 隨 LO 頻率發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。
圖 5：EVM 與 LO 頻率的關系
在必要時，作為功率放大器閉環數字預失真 (DPD) 系統的一部分，可在基帶或某些發送鏈路中對這些誤差項進行開環校正。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 環路將擁有其自己的接收器，能夠測量發送 EVM 并針對基帶波形進行自適應校正，以最大限度地抑制誤差。對于產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，或者說并不關心。
表 2: LTC5598 正交相位誤差、增益不平衡和邊帶抑制
優化 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 I/Q 數模轉換器 (DAC) 時鐘應具有低的相位噪聲和抖動，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 相位噪聲會增加無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驗室級信號發生器相當。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。 |
