落實訊號分析/EVM量測　通訊系統效能全盤掌握

2016-03-28

Bob Nelson

過去在量測射頻裝置效能時，頻譜分析儀大多是量測射頻裝置的非線性效能，像是諧波、第三階截斷點(TOI)或輸入相關突波響應等。而鄰近通道功率量測就是其中一個非常常見的非線性量測，因為鄰近通道的功率會影響到該通道的功率，兩個功率彼此成正相關。測試多個接收器或發射器時，這種量測方式有助於預測射頻(RF)裝置的純頻譜效能。

現代訊號分析儀除了保有傳統非線性失真的量測外，還加增了通道內相位與平坦度失真量測。以上這些異常點都是線性失真。

舉例來說，功率放大器可能會有很好的非線性效能，非常高的TOI能力，同時擁有極低的諧波失真。整個觀測頻段的波振幅平坦度也許可以符合雷達訊號的要求，在處理窄頻寬的調變類比訊號時不會有任何影響。但如果是寬頻寬的數位調變訊號，在「振幅」對「頻率」做離散計算時就會有很大的影響。新興的調變格式也越來越寬，同時RF裝置及元件的相位與頻率效能，則須有更嚴謹的方法，才可以量測這些效能。

透過通道量測　解決頻率失真問題

將調幅訊號的調變深度調到100%後，就會產生頻率失真，使得放大器輸入端的調變訊號變成1MHz正弦波。想獲得具有兩個旁波(Sideband)的載波，其頻寬約為正負1MHz。在一個完美系統裡，兩個旁波的振幅相等，而且比載波的振幅低6dB。在單一訊號週期中，這兩個旁波可以正面地加入電壓中，讓最終訊號的振幅加倍；也可以負面地結合，使得最終訊號的電壓變成零。

唯有當功率放大器帶通(Pass-band)的振幅平坦度或相位線性度，不會造成兩個旁波的相位及振幅改變，上面的條件才會成立。因為當放大器帶通內的時間產生延遲，這兩個旁波的振幅將不再相等，也無法維持既有的相位關係。如果相位或頻率響應不一致，將使得原始訊號出現一個本來沒有的失真。

有一種方法可以量測這種效應，就是在整個想要量測的頻寬中，將多個載波平均地分散輸入放大器內，然後量測每一個載波的最終的振幅和相位。這種方法不僅可用於小型系統，同時也非常適合用於部署多個降頻階段和數位轉換器的複雜系統，以便測試整個系統。

事實上，誤差向量幅度(EVM)、碼域功率及頻譜平坦度等量測都屬於通道內量測，可以深入了解特定通訊系統的效能。將以上這些量測，結合運用鄰近通道功率(ACP)和諧波等非線性量測，可全盤掌握通訊系統的實體層效能。

驗證複雜調變通訊裝置效能　誤差向量幅度量測至關重要

對大多數技術人員和工程師而言，誤差向量幅度量測極為重要，因為它不僅可驗證複雜調變通訊裝置的效能，還可以排除導致通訊異常時的問題根源。

訊號分析儀也是常用的工具。工程師可將調變類型、符碼率及濾波器類型等資料輸入分析儀，以便產生訊號。接著，訊號分析儀會先解調變該訊號，然後轉換成包含訊號之同相(In-phase)成分與正交(Quadrature)成分的理想數學算式。

以下就用公式1來代表這個訊號，再與實際量測的訊號進行比較。誤差向量幅度即是誤差向量的均方根(Root Mean Square)，經過計算後，理想訊號會以平均功率百分比表示。誤差向量即是發現符號所在位置的幅度向量，圖1所示即為誤差向量幅度相位圖。

....................公式1

此訊號數學公式其中的代表意義，說明如下：

圖1 誤差向量幅度(EVM)相位圖

圖2是4位元相位偏移調變(QPSK)訊號的星座圖，其中Y軸是正交成分、X軸是同相成分，而四個正交圓點(圓圈所示位置)代表每個符號時間的正交與同相值。

圖2 QPSK訊號的星座圖

如果觀察到正交成分、同相成分有非線性振幅，那就代表有增益不平衡的現象。通常一個符號點呈圓圈環繞時，代表調變訊號波封下面還有一個突波訊號。過大的相位雜訊將造成符號點時序偏差。通常訊號點若很分散，代表相位線性度或振幅平坦度可能有問題。圖3則顯示誤差向量幅度的整體結果。

圖3 誤差向量幅度量測結果

RMS EVM結果以及振幅和相位成分都會顯示在螢幕上，以協助工程師解決問題。誤差來源通常都出在中頻(IF)相位線性度和振幅平坦度，但也可能是系統內相位雜訊所造成的誤差。如此一來，就能夠輕易地量測並修正增益不平衡。

也可以直接量測某些系統的頻譜平坦度，因為正交分頻多工(OFDM)訊號本身在欲量測的頻寬上就有許多載波，可運用此特性來量測其頻譜平坦度。這類系統的頻寬至少需為2GHz以上。要在這一大段頻率區間維持頻率響應平坦度是很困難的，通常必須在接收器上安裝等化器來進行補償，才有辦法將那些不平整的頻率響應平坦化。圖4顯示量測802.11n無線區域網路(WLAN)訊號之頻譜平坦度的範例。