802.11a/b/g WLAN產品市場競爭激烈，面臨降價壓力與加快產品推出速度的雙重壓力。此時，提高質量無疑會使產品與眾不同並提高其銷售量，即使是很小的生產效益改進也會對收益率帶來顯著影響。
本文說明了設計和質量保證，工程師應如何利用誤差向量幅度(EVM)、頻率誤差、相位雜訊及發射功率包絡來辨識WLAN發射器性能的降級根源。並講述了當發現幅度、相位、I/Q通道之間的群延遲失衡、相位雜訊、信號壓縮等，對發射機性能造成影響時，應採用的一些技術。
802.11/a/b/g WLAN發射器的性能會直接影響產品質量。在當今WLAN產品市場空間擁擠、利潤微薄的情況下，提高質量無疑會使產品與眾不同並增加其銷售量，還能減少退貨並提高生產效益以及收益率。但是，發射器的性能很容易受到RF部分的設計選擇、電路板佈局及其實現方式、元件的變化及更替等因素的影響，並且會因 802.11a/b/g標準所要求的調製類型和頻帶的不同而變得更加複雜。
具有頻譜分析儀、向量信號分析儀(VSA)及功率表(帶信號分析軟體，如LitePoint的IQview 802.11a/b/g WLAN測量方法及其相關的IQsignal套裝軟體)能力的測試儀是分析大多數WLAN發射機問題的必備工具。利用頻譜分析儀與功率表能力可以測量頻率偏差、瞬態信號、相位雜訊、同帶信號傳輸功率、相鄰通道功率及其他參數，而VSA能力則可以將特定的信號解調成正交分量，因此可將複雜的信號顯示為具有幅度和相位特性的向量或者顯示其完整的信號星座圖。信號分析軟體可隨之簡化測量過程並同時提供性能測試的統計評估結果。
利用這些工具，可以在調製域、時域及頻域進行測量，在設計過程與生產期間評估發射器性能並查找其故障。此外，由於允許測量一個簡單方便的品質因數—誤差向量幅度(EVM)，將表徵發射RF信號的許多參數簡化為單一參數，因此這些工具簡化了802.11a/b/g所用的複雜波形的分析。在生產線測試中， EVM可用作合格、不合格的尺規以簡化發射器的質量保證，並提高測試吞吐量，而在設計過程中，EVM則是一個很有價值的總體信號質量指標。
誤差向量幅度是測量調製精度與發射器性能的一個直接測量指標。從質量上講，EVM反映了誤差向量，它定義為信號星座圖中測量信號與理想無差錯點之間的差別，如圖1的複平面所示。可以看出，測量信號在幅度和相位方面均不同於理想信號。完全確定不變的信號惡化只是使信號偏離了其理想點。但在存在碼間串擾和雜訊的情況下，重複測量結果明顯地顯示出測量信號圍繞理想信號進行隨機變化，我們將這種隨機變化現象定義為圍繞理想信號星座圖點的「誤差雲」。
從數量上講，EVM是經理想信號幅度歸一化的誤差向量幅度的統計估算值。對於一個特定symbol，EVM在數學上的定義為：
(詳情請見新通訊46期12月號第51頁)
其中，Z是可能需要時差和頻差校準的測試信號；R為理想或參考信號，是要測量信號的理想形式；M為測量樣本數；k為樣本序號。
通過對大量的抽樣symbol進行平均計算，EVM適用於所有特定調製模式的symbol。這樣，單一的EVM值就可以反映出總體信號質量。根據定義，EVM始終為小於等於1的正數。分別用分貝與百分比表達EVM，則如下式所示：
(詳情請見新通訊46期12月號第51頁)
比如，–25dB的EVMdB值等同於約5.6%的EVM%。信號品質越好，EVM值越低；相比不良信號，用分貝表達一個高品質發射信號的EVM將是一個絕對值大的負數；而用百分比表達一個好的發射信號的EVM將是一個小於不良信號的EVM百分數。
802.11/a/b/g標準採用EVM來描述發射器的總調製精度，並給出如何測量802.11b和802.11g的直接序列擴頻信號以及 802.11a/g的OFDM信號EVM的綜合方法。比如，802.11a/g標準採用BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM OFDM信號。該標準通過在構成symbol的所有OFDM資料副載波(sub-carrier)中以及構成frame的所有OFDM symbols(每個frame最少有16個symbols)中進行信號抽樣，然後用信號星座圖點的平均功率進行歸一化，並求出至少20 frames的平均值來定義這些信號的EVM。這樣，就可以確定各特定802.11a/b/g模式的單一EVM值。
作為總調製精度的測量指標，EVM反映了許多不同的信號失真。對於多數調製模式而言，接收具有特定EVM的失真信號就等於在有效雜信比(SNR)與EVM值的平方成反比的加成性高斯白雜訊中接收無失真信號：
(詳情請見新通訊46期12月號第52頁)
這比例取決於特定的調製模式，影響來自於如峰值功率與平均功率的比值或處理增益。對於特定的調製模式而言，SNRAWGN亦即測量的EVM可與誤碼率或錯包率(BER或PER)及總系統通信性能聯繫起來。若實際雜信功率比的測量值沒有捕獲信號失真效應，則測量的SNRpower值也就不必用作BER或 PER性能的指標。
對於採用低階調製類型的802.11b來說，標準允許相對較高的EVM值，而對於採用高階調製類型的802.11a/g來說，則規定了更嚴格的(較低的) EVM值。標準也對不同的調製技術規定了不同的EVM計算方法，對於802.11b/g的相對低資料速率直接序列擴頻信號，按峰值計算EVM，而對於 802.11a/g的高資料速率OFDM信號，則計算多載波與多symbol的EVM平均值。從直觀上講，發射的EVM必須足夠小，以使失真信號不能靠近星座圖的判定邊界，特別是在存在加性雜訊以及有其他通道和接收機影響的情況下。最高資料速率的802.11a/g採用高階調製技術，因此更容易受到發射信號減損的影響，給定的EVM值對16-或64-QAM信號的影響程度將超過QPSK或CCK信號，因為它們的判決區域更小。
在大多數802.11a/b/g的應用中，WLAN基帶處理器都會對信號進行調製，在片內或片外的數模轉換之後，提供I(同相)與Q(正交)的類比輸出信號，由隨後的RF部分進行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發射信號減損的根源；相反，減損主要是由於經由PCB設備和RF電路的信號通道的類比變化造成的。元件變化、PCB印刷線路佈局缺陷、晶體振盪器與頻率合成器的不穩定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會促使發射信號的惡化。
按以上闡述，EVM能表達多數不同的信號失真效應。較差的EVM測量結果本身就說明了問題，特別是在與其他參數的測量結果組合使用時，有助於確定下述發射信號減損：
‧I/Q失衡(幅度、相位、群延遲)
‧相位雜訊
‧寄生信號與瞬態效應
‧信號壓縮效應
I與Q之間的失衡或失配會直接影響調製精度。沿PCB印刷線路上的I與Q信號通道產生的寄生電容與寄生電感的差異會導致這種I/Q失衡，就像元件變化甚至基帶與RF IC設計變更造成的I/Q失衡那樣。
圖2所示為I/Q通道之間存在2%幅度與2°相位混合失配條件下，802.11a/g的64-QAM OFDM星座圖。在圖中，64-QAM信號群組的每個點都顯示得像暗色的雲，測量值「0」來自48個中每一個OFDM資料副載波(sub- carrier)和眾多symbol。由於幅度與相位失衡，星座圖看起來有些失真與模糊不清，而不是一些清晰定義的點。在本例中，I/Q失衡的影響導致了大約–30dB的EVM值，而該值正好與單獨測量的每個副載波的EVM值基本相同。
請注意圖中左右兩個淺色星座點，這兩個淺色星座點表示802.11a/g標準規定的由BPSK調製的4個導頻信號。由於調制導頻信號的資料之間存在固定的關係，因此其星座點看起來比資料星座點更清晰，並且提供一種定性評估I/Q失衡影響的簡單方法。I/Q幅度失配使導頻信號大都散佈在I軸，而I/Q相位失配則使導頻信號大都散佈在Q軸。在圖2中，導頻信號散佈在相對於I與Q軸傾斜的直線上，這表明同時存在幅度與相位失衡。
除了幅度與相位失衡之外，I與Q信號之間不同的群延遲會對調製精度帶來不良影響。這種失衡通常與基帶I與Q信號的PCB佈局以及不同的印刷線路長度有關。星座圖點將再次顯示出失真，但群延遲差異的影響取決於頻率，對每個OFDM副載波的影響也不同。圖3中的虛線表明EVM值與副載波序數的關係，曲線清晰地顯示出EVM值與頻率的關係，這表明一個約1ns的群延遲差異對信號的「0」影響。
當信號與本振(LO)信號混合從基帶頻率轉換為RF頻率時，相位雜訊會進入到信號中。LO相位雜訊分配反映了頻率合成器使用的參考晶體振盪器的頻率穩定性、合成器鎖相環(PLL)使用的壓控振盪器(VCO)的頻率穩定性以及頻率合成器使用的PLL的環路帶寬。PLL的作用對於晶體振盪器來說是低通濾波器，對於自激VCO來說是高通濾波器。根據PLL的環路帶寬，理想的合成器輸出相位雜訊頻譜密度由以下因素決定：低頻偏移下較好的晶體振盪器長期穩定性，高頻偏移下較好的VCO短期穩定性，以及帶內PLL自身鑑相器與分頻器所產生的帶內雜訊為基底。
相位雜訊影響調製精度，與其他減損一樣，也會影響到EVM。如圖4所示，在信號星座圖中，相位雜訊的影響是明顯的，比如星座點周圍的圓形信號點失真。在本例中，最終的EVM約為–25dB。資料速率較低時，symbol時間內的積分消除了短期頻率不穩定性的最壞影響，剩下的只有晶體振盪器的長期穩定性的影響。對於802.11a/g在最高資料速率下使用的OFDM信號，通過在接收機上使用導頻信號跟蹤信號的相位變化，可以稍微減輕相位雜訊的影響。只要相位變化相對於symbol速率來說比較慢，就可以對信號的相位變化進行跟蹤與補償。
應該去除過多的相位雜訊，過多的相位雜訊可能是出現各種設備問題的徵兆，比如晶體振盪器的雜訊、電源雜訊產生的寄生信號、電路板遮罩不充分、混頻器中的參考晶體振盪器信號電平不正確或者其他設計或生產問題。
將過多的相位雜訊確定為不良EVM成因的最佳途徑，就是檢查相位雜訊的能譜密度(PSD)。某一些具有VSA能力的單機測試器，如LitePoints IQview，可以對WLAN調製信號進行相位雜訊分析。比如，圖5所示為因低頻雜訊洩漏到合成器參考信號中，而遭到破壞的信號的相位雜訊能譜密度，虛線表示正常的預期能譜密度。
在802.11a/b/g設計適合於大量生產之前，實現過程不允許存在會對發射器性能產生不良影響的寄生信號與瞬態效應。如前所述，參考晶體振盪器與頻率合成器VCO對電源雜訊、DC-DC轉換器開關雜訊或未遮罩信號特別敏感。這種寄生信號與晶體振盪器或VCO之間的耦合會引入相位雜訊，從而降低發射信號的質量。
要隔離或確定會降低發射機性能的瞬態效應是非常困難的。比如，RF功率放大器在有WLAN脈衝通信時打開，而沒有通信時關閉以最大限度降低功耗。當功率放大器在脈衝來臨之前啟動時，功率放大器將產生較大的電流並可能導致電源產生電壓降或引起接地電流。除非電路板的其他部分完全消除這些影響，否則它們會影響晶體振盪器或頻率合成器，引入瞬態頻率誤差與相位雜訊而暫態降低發射信號的質量。
功率放大器通電所產生的這種頻率推移以及振盪器對電源電壓的敏感性，會因其持續時間而帶來不同的影響。如圖6、7所示，合成器的VCO的頻率推移通常可以很快地穩定下來，幾微秒內就能恢復，而晶體振盪器的頻率推移則穩定緩慢，要幾十微秒才能恢復。
802.11b/g標準需要首先發射短或長同步碼(preamble)，短同步碼(short preamble)的持續時間為72μs，長同步碼(long preamble)的持續時間為144μs。與此相對，802.11a/g標準首先需要先發射10個重複的總計8μs的短訓練序列(short training sequence)，後跟2個重複的總計，另外8μs的長訓練序列(long training sequence)。緩慢穩定的瞬態頻率誤差會破壞802.11a/g信號，甚至對802.11b/g支援的低資料速率產生不良影響。如果一個特殊的接收機設計對發射頻率的估算是建立在前幾微秒同步碼(preamble)的基礎上的話，快速穩定的發射頻率誤差也會影響性能。
但要瞭解是否發生這種瞬態回應是很困難的，在設計過程的所有階段，檢查信號的頻率誤差與時間關係的曲線時，也許並未發生瞬態回應。某些測試儀器如 IQview允許根據短訓練序列、長訓練序列或全數據包的頻率估算量計算OFDM信號的EVM(如果最終的EVM值變化較大)，因而這也是發射頻率可能受到瞬態誤差影響的線索。
要將功耗降至最低並以最高的效率進行操作，RF功率放大器應在接近其飽和點的理想狀態下進行操作。但除非功率放大器的平均輸出功率減小(偏離滿功率)，否則不同的調製類型仍會將放大器推入其飽和區域並使信號飽和。與放大器飽和相關的非線性隨後會導致諧波失真、互調失真與頻譜再生、交叉調製、SNR變差以及調製不準確。信號會飽和的程度反映了功耗與信號質量之間的折衷，也直接影響了產品成本與質量。如果飽和程度過大，則會降低發射信號質量，如果飽和程度過小，則可能需要更昂貴的RF功率放大器以達到所需的平均輸出功率。
802.11b/g採用的單載波M維移相鍵控(M-ary PSK)信號通常可在壓縮的狀態下進行操作，直到頻譜再生引入鄰通道干擾或超出了要求的頻譜範本。利用頻譜分析儀測量RF輸出頻譜可以快速地揭示這種效應。對於這種信號，壓縮通常不會影響EVM到超過標準規定值或顯著影響BER性能的程度。
但802.11a/g採用的多載波OFDM信號通常需要放大器更大程度地偏離滿功率，因為它們之間的峰值—平均功率比(PAPR)很高。功率放大器的操作點必須減少以確保OFDM信號的輸入電壓漂移不會使放大器進入飽和區域引起互調與頻譜再生效應，以免對OFDM信號的52個副載波帶來不良影響。
圖8所示為802.11a/g 64-QAM OFDM信號失真的情況下單獨壓縮的影響，最終的EVM值約為–24.8dB。注意，802.11a/g標準規定：低於25dB的發射器EVM支援 54Mbps，低於-22dB的發射器EVM支援48Mbps。從圖中可以看出，群組點已蔓延到可能產生判決誤差的區域，特別是存在加性通道雜訊以及任何發射機或接收機性能惡化的情況下。
利用IQview提供的信號分析軟體計算發射輸出功率的互補累積分佈函數(CCDF)，可以很容易地評估壓縮程度。在對測量信號進行統計處理之後， CCDF曲線提供信號處於或高於指定功率電平(用相對於平均功率的dB表示)的概率估算值。圖9所示為圖8信號的CCDF曲線，圓圈表示未壓縮信號的理想 CCDF。從圖中可以看出，未壓縮信號在1%的時間內至少超過64-QAM OFDM平均功率電平～7dB，而測量的壓縮信號則在1%的時間內至少超過64-QAM OFDM平均功率電平～5.5dB。換句話說，由於壓縮信號反映了放大器正在飽和區域進行操作，因此壓縮信號不能達到與未壓縮信號相同的峰值與平均偏差比。
但為了提升功耗，還需要進行某種程度的壓縮。假設調製不準確度的所有其他原因已得到緩和，則可以校準發射功率電平以使測量的EVM值處在允許的容值範圍內。這基本上是要執行的最後一個生產線校準步驟。因此，可快速測量所有802.11a/b/g信號EMV的單儀器測試設備如IQview就變得非常有用，特別是當將其用作PC控制的生產測試套件的組成部分時，可在基帶晶片組和RF部分自動設定合適的控制和電平，以將其輸出功率校準為最佳值。
VSA、頻譜分析儀、功率表的能力與先進的信號分析軟體組合可以簡化802.11a/b/g WLAN發射器的最佳化過程。無論是用作設計過程的組成部分，還是在生產線使用，在時域、頻域以及調製域中快速評估EVM與其他測量指標的能力可縮短設計週期，提高生產效益，並直接改善總體產品品質與高產出率。本文討論了幾個常見的發射器性能偏差因素並彙總在表1中，說明如何利用當今的複雜測試儀器識別並解決它們。
(文中圖表請翻閱新通訊46期12月號)