通信發(fā)射系統(tǒng)中各種因素對(duì)EVM指標(biāo)的影響

王 平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引 言

誤差矢量幅度(EVM)是衡量一個(gè)通信發(fā)射系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)[1]。

EVM定義了時(shí)域上數(shù)字調(diào)制信號(hào)與理想信號(hào)的精度誤差[2]，如圖1所示。實(shí)測(cè)信號(hào)矢量S(n)與理想信號(hào)矢量R(n)之間的夾角為相位誤差；S(n)與R(n)之間的幅度差為幅度誤差；S(n)與R(n)之間的矢量差即為誤差矢量E(n)。

圖1 誤差矢量圖

EVM表示誤差矢量幅度相對(duì)理想矢量幅度的百分比，計(jì)算公式如下：

(1)

EVM是在一定時(shí)間內(nèi)，理想無(wú)誤差信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的向量差。因?yàn)樵诿總€(gè)符號(hào)變化時(shí),這個(gè)值也在不斷變化，所以EVM值存在最大值、均方根值(RMS)等多個(gè)概念。一般情況下，采用EVM的均方根值來(lái)表示。EVM值越大，說(shuō)明發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量越差；EVM值越小，發(fā)射信號(hào)調(diào)制質(zhì)量越好，表明發(fā)射的信號(hào)越接近于理想信號(hào)。理解EVM定義以及分析其與系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)于通信發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)是極其關(guān)鍵的。

1 各種因素對(duì)EVM指標(biāo)的影響分析

在通信發(fā)射系統(tǒng)中，信號(hào)從產(chǎn)生到發(fā)射的流程如圖2所示。

圖2 通信發(fā)射系統(tǒng)信號(hào)流程示意圖

首先，數(shù)字基帶I/Q信號(hào)通過(guò)數(shù)字正交上變頻產(chǎn)生數(shù)字射頻信號(hào)S(t)，信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

S(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)

(2)

式中：基帶信號(hào)I(t)和Q(t)包含了調(diào)制信息；ωc=2πfc表示射頻的載波角頻率。

數(shù)字射頻信號(hào)S(t)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)得到模擬信號(hào)S1，之后再通過(guò)信號(hào)調(diào)理或者模擬上變頻得到最終的射頻小信號(hào)S2，信號(hào)S2經(jīng)過(guò)功率放大器設(shè)備產(chǎn)生射頻待發(fā)射信號(hào)S3，最后通過(guò)發(fā)射天線輻射出去。

一般情況下，通信發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生并發(fā)射的數(shù)字調(diào)制信號(hào)會(huì)遇到多種失真因素，導(dǎo)致信號(hào)調(diào)制有誤差，EVM指標(biāo)惡化。失真因素包括：I/Q不平衡、相位噪聲[3]、非線性放大[4]、信道加性高斯白噪聲[5]等。

1.1 I/Q不平衡

在發(fā)射機(jī)中，I/Q不平衡指發(fā)射機(jī)的同相(I)和正交(Q)支路間的幅度和相位不匹配。理想情況下，同相和正交支路具有相等的幅度增益和90°相位偏差。但是在實(shí)際的發(fā)射系統(tǒng)中，通常難以實(shí)現(xiàn)上述理想情況。非理想的上變頻、I和Q支路的不平衡濾波器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等均可能產(chǎn)生I/Q不平衡。

以正交相移鍵控(QPSK)信號(hào)為例，I/Q不平衡對(duì)此信號(hào)EVM指標(biāo)影響的仿真模型圖如圖3所示。在仿真模型中，EVM模塊的參考輸入為理想的QPSK信號(hào)，實(shí)際輸入為經(jīng)過(guò)I/Q不平衡模塊后的QPSK信號(hào)。

圖3 I/Q不平衡對(duì)QPSK信號(hào)EVM指標(biāo)影響的仿真模型圖

I/Q不平衡包括I/Q幅度不平衡和I/Q相位不平衡，通過(guò)設(shè)置IQ不平衡模塊中的具體參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真。I/Q幅度不平衡達(dá)到2 dB時(shí)，仿真的EVM均方根為11.56%，對(duì)應(yīng)的信號(hào)星座軌跡對(duì)比圖如圖 4 所示，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)信號(hào)的矢量星座點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了明顯的偏移，星座軌跡已經(jīng)明顯變形。

圖4 I/Q幅度不平衡信號(hào)與理想信號(hào)的星座軌跡對(duì)比圖

改變參數(shù)值，不同程度的I/Q幅度不平衡對(duì)應(yīng)的EVM值如表1 所示。

表1 不同程度I/Q幅度不平衡對(duì)應(yīng)的EVM值

I/Q相位不平衡達(dá)到12°時(shí)，仿真的EVM均方根為10.51%，對(duì)應(yīng)的信號(hào)星座軌跡對(duì)比圖如圖5所示。此時(shí)信號(hào)的矢量星座點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了明顯的扭曲。

圖5 I/Q相位不平衡信號(hào)與理想信號(hào)的星座軌跡對(duì)比圖

改變參數(shù)值，不同程度的I/Q相位不平衡對(duì)應(yīng)的EVM值如表2所示。

表2 不同程度I/Q相位不平衡對(duì)應(yīng)的EVM值

I/Q幅度不平衡和I/Q相位不平衡疊加后，對(duì)應(yīng)的EVM值如表3所示。

表3 不同程度I/Q不平衡對(duì)應(yīng)的EVM值

可見(jiàn)，I/Q不平衡越明顯，對(duì)應(yīng)的EVM值越大，信號(hào)質(zhì)量越差。

1.2 相位噪聲

在發(fā)射機(jī)中，本振信號(hào)的相位噪聲是一種常見(jiàn)的噪聲，在時(shí)域上表現(xiàn)為抖動(dòng)，在頻域上表現(xiàn)為寬裙邊。相位噪聲對(duì)QPSK信號(hào)EVM指標(biāo)影響的仿真模型圖如圖6所示。

圖6 相位噪聲對(duì)QPSK信號(hào)EVM指標(biāo)影響的仿真模型圖

相位噪聲為-80 dBc/Hz(頻譜10 kHz)時(shí)，仿真的EVM均方根為4.72%，對(duì)應(yīng)的信號(hào)星座軌跡對(duì)比圖如圖 7 所示，此時(shí)信號(hào)的矢量星座點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了明顯的擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)。

圖7 相位噪聲影響后的信號(hào)與理想信號(hào)的星座軌跡對(duì)比圖

在頻偏為10 kHz的情況下，不同相位噪聲對(duì)信號(hào)EVM值的影響如表4所示。

表4 不同相位噪聲下信號(hào)的EVM值

可見(jiàn)，相位噪聲指標(biāo)越惡化，對(duì)應(yīng)的EVM值越大，信號(hào)質(zhì)量越差。

1.3 非線性放大

在發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生、放大和傳輸過(guò)程中，非線性放大主要由功率放大器產(chǎn)生。因?yàn)閷?shí)際使用的功率放大器為非線性器件，并且功率放大器的效率越高，其非線性程度一般也越差。在發(fā)射系統(tǒng)中，為了獲得較高的效率，功率放大器一般工作在AB類(lèi)，工作點(diǎn)在1 dB壓縮點(diǎn)附近，甚至在飽和區(qū)，此時(shí)的非線性效應(yīng)將更加嚴(yán)重。

功率放大器的非線性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：AM-AM特性和AM-PM特性。其中AM-AM特性表示輸出信號(hào)幅度和輸入信號(hào)幅度的關(guān)系，AM-PM特性表示與輸入信號(hào)幅度相關(guān)的輸出信號(hào)的附加相移?，F(xiàn)假設(shè)輸入到功率放大器的等效復(fù)信號(hào)為：

Vi(t)=r(t)ejθ(t)

(3)

式中：r(t)和θ(t)分別為輸入信號(hào)Vi(t)的幅度和相位。

功率放大器的輸出信號(hào)為：

Vo(t)=G(r(t))ej(θ(t)+Φ(r(t)))

(4)

那么，G和Ф就分別稱(chēng)為功率放大器的AM-AM和AM-PM特性函數(shù)。AM-AM特性使得功率放大器的輸出不再是其輸入的線性函數(shù)，產(chǎn)生幅度失真。AM-PM特性使得輸出的信號(hào)附加相移不為零，相當(dāng)于存在一個(gè)調(diào)相分量，產(chǎn)生相位失真。

同樣以QPSK信號(hào)為例：產(chǎn)生8個(gè)信號(hào)頻率為100～117.5 MHz(頻率等間隔2.5 MHz)、符號(hào)速率均為1 Msps的 QPSK小信號(hào)，然后通過(guò)某型最大輸出500 W的功率放大器設(shè)備。對(duì)放大后中心頻率為115 MHz的QPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和EVM實(shí)測(cè)，功率輸出50 W時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 8 所示，EVM值為14.59%。

圖8 功率放大器放大后QPSK信號(hào)的實(shí)測(cè)解調(diào)圖

改變功率放大器的輸出功率，對(duì)應(yīng)的EVM值如表5 所示。

表5 不同功率放大時(shí)信號(hào)的EVM值

結(jié)論：功率放大器輸出功率越大，非線性越嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的EVM值越大，信號(hào)質(zhì)量越差。

1.4 信道加性高斯白噪聲

噪聲是所有通信信道的固有部分，實(shí)際的噪聲信號(hào)在某一頻段內(nèi)可以用高斯白噪聲的特性來(lái)進(jìn)行近似處理。信道加性高斯白噪聲(AWGN)是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可用于仿真發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的信道噪聲。

信道加性高斯白噪聲對(duì)QPSK信號(hào)EVM指標(biāo)影響的仿真模型和圖6類(lèi)似，只是將相位噪聲換成了AWGN。

信道加性高斯白噪聲的信噪比為22 dB時(shí)，仿真的EVM均方根為7.96%，對(duì)應(yīng)的信號(hào)星座軌跡對(duì)比如圖9所示，此時(shí)信號(hào)的矢量星座點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了很明顯的擴(kuò)散。

圖9 信道加性高斯白噪聲后的信號(hào)與理想信號(hào)的星座軌跡對(duì)比圖

不同信噪比的加性高斯白噪聲對(duì)信號(hào)EVM值的影響如表6所示。

表6 增加不同信噪比的高斯白噪聲后信號(hào)的EVM值

結(jié)論：信道加性高斯白噪聲的信噪比越低，對(duì)應(yīng)的EVM值越大，信號(hào)質(zhì)量越差。

2 結(jié)束語(yǔ)

在通信發(fā)射系統(tǒng)中，I/Q不平衡、相位噪聲、非線性放大和信道加性高斯白噪聲都會(huì)對(duì)數(shù)字調(diào)制信號(hào)的EVM指標(biāo)產(chǎn)生影響。除此之外，如果在信號(hào)

產(chǎn)生的過(guò)程中，采用了軟件削波或者硬件限幅等有損信號(hào)處理，那么最終信號(hào)的EVM指標(biāo)勢(shì)必也會(huì)隨之惡化。

本文都是以QPSK調(diào)制信號(hào)為例進(jìn)行的仿真計(jì)算或?qū)崪y(cè)，但不同階調(diào)制信號(hào)的抗干擾能力不一樣，數(shù)字調(diào)制信號(hào)調(diào)制方式越復(fù)雜，頻率帶寬利用率越高，抗干擾能力越差。根據(jù)3GPP技術(shù)規(guī)范TS38.141的參考規(guī)定，QPSK的EVM指標(biāo)要求為18.5%以內(nèi)，四進(jìn)制正交幅度調(diào)制(16QAM)的EVM指標(biāo)要求為13.5%以內(nèi)，八進(jìn)制正交幅度調(diào)制(64QAM)的EVM指標(biāo)要求為9%以內(nèi)。因此，在實(shí)際工程中，一方面要盡可能優(yōu)化各種設(shè)計(jì)來(lái)降低EVM指標(biāo)；另一方面也要根據(jù)情況綜合選擇合適的信號(hào)調(diào)制階數(shù)。