I/Q 調(diào)制器中的 EVM 性能優(yōu)化

誤差矢量幅度 (EVM) 是數(shù)字調(diào)制準(zhǔn)確度的一種標(biāo)量測(cè)量，對(duì)于任何數(shù)字調(diào)制信號(hào)源來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)重要的品質(zhì)因數(shù)。在發(fā)送器調(diào)制器中實(shí)現(xiàn)低 EVM 是很重要，因?yàn)橐粋€(gè)信號(hào)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(zhuǎn)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(hào)質(zhì)量。

并不存在針對(duì) EVM 測(cè)量和計(jì)算的單一業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。相反，獨(dú)立系統(tǒng) (例如：Bluetooth、802.11、DVB、PHS) 規(guī)定了用于該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量。然而，這種方法會(huì)產(chǎn)生不確定性，比如：怎樣針對(duì)每種符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn) EVM 的歸一化以及需要校正測(cè)量中的哪些參數(shù) (例如：頻率誤差、I/Q 偏移、正交相位誤差、增益不平衡)。當(dāng)采用來(lái)自不同制造商的矢量信號(hào)分析儀 (VSA) 時(shí)，EVM 測(cè)量將有所不同，甚至在使用同一家制造商的不同型號(hào) VSA 時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。

圖 1 示出了采用 VSA 來(lái)測(cè)量調(diào)制準(zhǔn)確度的情形。VSA 對(duì)位于某一給定中心頻率和帶寬的輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理，調(diào)制方案、符號(hào)率、測(cè)量濾波器和其他信號(hào)參數(shù)則由用戶規(guī)定。該數(shù)據(jù)代表了測(cè)得的信 號(hào)，VSA 對(duì)其進(jìn)行數(shù)字解調(diào)以恢復(fù)源數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。運(yùn)用恢復(fù)的源數(shù)據(jù)、調(diào)制方案和其他因子，VSA 以數(shù)學(xué)方法生成理想的基準(zhǔn)信號(hào)。VSA 隨后計(jì)算誤差矢量，即歸一化至峰值信號(hào)電平的實(shí)測(cè)信號(hào)矢量與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)矢量之間的差異。均方根 (RMS) 和峰值 EVM 標(biāo)量值從誤差矢量中提取。

圖 1：VSA 通過(guò)比較實(shí)測(cè)輸入信號(hào)與理想再生基準(zhǔn)信號(hào)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(duì) I/Q 調(diào)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(diào)制器。16-QAM 是一種相對(duì)常用的數(shù)字調(diào)制類型和表現(xiàn)調(diào)制器準(zhǔn)確度的良好工具。16-QAM 是許多無(wú)線系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括LTE / LTE-Advanced、HSDPA、EDGE Evo、CDMA2000 EV-DO、認(rèn)知無(wú)線電 (Cognitive Radio) IEEE 802.22 (電視白區(qū))、PHS 和 TETRA。1

圖 2 示出了用于評(píng)估 I/Q 調(diào)制器的測(cè)試設(shè)置，表 1 概要列出了針對(duì)下列每種測(cè)量的測(cè)試條件。當(dāng)采用一個(gè) 450MHz LO 信號(hào)且驅(qū)動(dòng)功率為 0dBm時(shí)，安裝在一塊標(biāo)準(zhǔn)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(cè)得的輸出功率為 0.4dBm。采用相同的設(shè)置，一個(gè)具有相同的幅度、頻率和數(shù)字調(diào)制方式的實(shí)驗(yàn)室級(jí)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)測(cè) EVM 性能為 0.28% (rms) 和 0.8% (峰值)。對(duì)比結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)：LTC5598 的調(diào)制準(zhǔn)確度與用于對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試設(shè)備幾乎一樣好。

圖 2：用于 EVM 測(cè)量的測(cè)試設(shè)置

圖 3：450MHz LO 信號(hào)條件下的 EVM

表 1: EVM 測(cè)試參數(shù)

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

基帶調(diào)制

l16-QAM (每符號(hào) 4 位，峰值與平均值之比 = 5.4dB)

l1 MSPS 符號(hào)率

lPN9

l根升余弦 (RRC) 濾波器，α = 0.35

基帶驅(qū)動(dòng)

lVEMF = 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(shí)測(cè)值

l偏置電壓 = 0.5V

VSA 測(cè)量濾波器

lRRC，α = 0.35

VSA 基準(zhǔn)濾波器

l根余弦 (RC)

EVM 與 I/Q 驅(qū)動(dòng)功率之間的關(guān)系 (見(jiàn)圖 4)

l16-QAM

l1 MSPS 符號(hào)率

lRRC，升余弦，α = 0.35 (峰值與平均值之比 = 5.4dB)

l偏置電壓 = 0.5V DC

lLO 驅(qū)動(dòng)功率：0dBm

EVM 與 LO 頻率之間的關(guān)系 (見(jiàn)圖 5)

lLO 驅(qū)動(dòng)功率：0dBm

l16-QAM

l1 MSPS 符號(hào)率

lRRC，α = 0.35 (峰值與平均值之比 = 5.4dB)

lVEMF = 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(shí)測(cè)值

l偏置電壓 = 0.5V

當(dāng)基帶輸入電平把峰值調(diào)制器驅(qū)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 P1dB 典型值 (在 fRF = 450MHz)

-5.4dB 16-QAM 測(cè)試波形的波峰因數(shù)

= +3.0dBm 平均輸出功率 (1)

(峰值將位于 1dB 壓縮點(diǎn))

圖 4：EVM 與調(diào)制器輸出功率的關(guān)系

當(dāng)輸出電平處在 1dB 壓縮點(diǎn)時(shí)，EVM 對(duì)于應(yīng)用而言或許過(guò)高，這將降低從調(diào)制器獲得的可用平均功率。對(duì)于那些采用了一種具較高“峰值至平均值”之比 (波峰因數(shù)) 的調(diào)制方式之系統(tǒng)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(qū)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(duì)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(yīng)。

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(shù)字預(yù)失真 (DPD) 系統(tǒng)的一部分，可在基帶或某些發(fā)送鏈路中對(duì)這些誤差項(xiàng)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(nèi)，但是 DPD 環(huán)路將擁有其自己的接收器，能夠測(cè)量發(fā)送 EVM 并針對(duì)基帶波形進(jìn)行自適應(yīng)校正，以最大限度地抑制誤差。對(duì)于產(chǎn)生誤差的根源是調(diào)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(diào)制器獲得最佳的 EVM 性能，那么 I/Q 基帶就應(yīng)該 “干凈”。這意味著 I/Q 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時(shí)鐘應(yīng)具有低的相位噪聲和抖動(dòng)，DAC 重構(gòu)濾波器不應(yīng)侵占基帶帶寬，而且基帶 I/Q 信號(hào)通路應(yīng)具備平坦的頻率響應(yīng)。另外，LO 信號(hào)源也應(yīng)當(dāng)干凈。LO 相位噪聲會(huì)增加無(wú)法在下游予以消除的隨機(jī)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(yīng)該遵循調(diào)制器產(chǎn)品手冊(cè)中給出的建議。

諸如 LTC5598 等商用 I/Q 調(diào)制器可在常用的 VHF 和 UHF 通信頻段內(nèi)提供卓越的數(shù)字調(diào)制準(zhǔn)確度。其性能或許能夠與實(shí)驗(yàn)室級(jí)信號(hào)發(fā)生器相當(dāng)。如果需要的話，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。

參考文獻(xiàn)

1. “Digital Modulation in Communications Systems – An Introduction,” Application Note 1298, Keysight Technologies (Agilent).

2. “Using Vector Modulation Analysis in the Integration, Trouble shooting and Design of Digital RF Communications Systems,” Product Note 89400-8, Keysight Technologies (Agilent).

Bruce Hemp 于 1980 年畢業(yè)于美國(guó)加州州立大學(xué)福樂(lè)頓分校 (California State University, Fullerton)，獲工程學(xué)士學(xué)位。他從事過(guò)各種系統(tǒng)、電路板級(jí)和應(yīng)用工程職位。自 2012 年以來(lái)，Hemp 在凌力爾特公司任高級(jí)應(yīng)用工程師。

Peter Stroet 于 1994 年獲荷蘭特文特大學(xué) (University of Twente, the Netherlands) 電氣工程碩士學(xué)位，并隨后在該校完成了一項(xiàng)為期兩年的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。他于 1997 年加盟飛利浦半導(dǎo)體公司，擔(dān)任一名無(wú)線 ASIC 設(shè)計(jì)工程師。自 2001 年起，他一直在凌力爾特公司從事面向 RF 應(yīng)用之 IC 的設(shè)計(jì)工作。