相位誤差分析

1、1 .什么是相位誤差相位誤差是手機(jī)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后的相位和理想相位之間的差別。一般相位誤差和頻率誤差對(duì)我們的測(cè)量?jī)x表來(lái)說(shuō)，是同時(shí)測(cè)量得到的。詳細(xì)測(cè)量方法、條件和測(cè)量計(jì)算步驟請(qǐng)參考ETSIts1510100113.1這一章節(jié)。2 .測(cè)量的目的和理論相位誤差是一項(xiàng)基本的衡量GSM調(diào)制精度的指標(biāo)，揭示了發(fā)射機(jī)調(diào)制器的性能。相位誤差有問(wèn)題，一般表明I/Q基帶產(chǎn)生器，濾波器和發(fā)射機(jī)電路里面有問(wèn)題。功率放大器的一些問(wèn)題也能夠?qū)е潞芨叩南辔徽`差。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，不好的相位誤差能夠?qū)е陆邮諜C(jī)無(wú)法正常解調(diào)，信號(hào)的相位上面攜帶著有用信息，如果相位被打亂了，接收機(jī)解調(diào)出來(lái)的信息肯定會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)3GPP的規(guī)

2、定，相位誤差（PhaseError）的峰值不能超過(guò)20度,RMS不能超過(guò)5度。在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的時(shí)候，這種表現(xiàn)更加嚴(yán)重，影響到了信號(hào)的覆蓋范圍。這一點(diǎn)大家可以理解：GSM本身是一個(gè)調(diào)相系統(tǒng)；信號(hào)的相位上面攜帶著有用信息。如果相位被打亂了，接收機(jī)解調(diào)出來(lái)的信息肯定會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的。下面的圖片詳細(xì)討論相位誤差的理論：TheoryinpicturesSampleactualphasenajectofyPhase|deg)Ilime(bits)GitOi7Bit1477DemodulateComputeperfectphasegjecto”7SubuactperfectfromactualPhase(deg

3、|Time(bits)Bit147Phase|deg|i；Tine色網(wǎng)01010001101110001110001101011111iiIBitOBn147RMSphaseerrors13Peakphaseerror=14.7°M&anfreqerror=67HzDerivenumericalresults以上圖片顯示了儀表如何計(jì)算相位誤1 .接收機(jī)對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出進(jìn)行下變：的相位軌跡。2 .接著接收機(jī)解調(diào)和計(jì)算出理想的相位軌跡。3 .將實(shí)際的相位軌跡和理想的相位軌跡相減，就得到了誤差信號(hào)。4 .誤差信號(hào)的傾斜度就是頻率誤差（相位除以時(shí)間）。5 .誤差信號(hào)的波動(dòng)定義為相位錯(cuò)誤

4、。一般的說(shuō)法是均方根（RMS）和峰值。以下圖片標(biāo)注出了手機(jī)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求。詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參考ETSITS1510100113.1這一章節(jié)。的。然后開(kāi)始采樣。這樣做的目的是為了捕捉到實(shí)際Channels：BrM,T.SinglecarrierAtleast口鵬slotonHopping:OfforOnDetection:Measuredoverusefulpartofburst（駟旭/3.實(shí)際的測(cè)量ConnectControlAnalyzerGeneratorPowerMcdulalioriS|wctrumAnuljo|Ext.Phmse|怕匕0儂Appli>cationAnalyzerLe

5、veFAnalyzerSettingsGeneratorMarkerMenus以上是從CMU200通信綜合測(cè)試儀截取下來(lái)的圖片。分別測(cè)試了頻率誤差(FrequencyError),相位誤差的均方根(RMS)和峰值(Peak),原點(diǎn)偏置(OriginOffset)和IQ信號(hào)幅度不平衡(I/QImbalance)。射頻發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的架構(gòu)ImuSlcptJp-<-ohvicnuonJraLnsnuHerIFFilter手模擬基帶產(chǎn)生的IQ信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換到射頻信號(hào)，然后由天線發(fā)射出去。因此，射頻發(fā)射機(jī)扮演著將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)的角色。射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)必須注意下面的幾點(diǎn)：1 .

6、調(diào)制精確度(modulationaccuracy)。射頻發(fā)射機(jī)的調(diào)制精度決定了發(fā)射機(jī)的信號(hào)品質(zhì)好壞，因此會(huì)影響到接收機(jī)解調(diào)之后的誤碼率。2 .線性度。電路的非線性會(huì)讓發(fā)射信號(hào)失真，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)解調(diào)后的誤碼率升高。3 .增益的動(dòng)態(tài)范圍。射頻發(fā)射機(jī)必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，以避免接收機(jī)飽和。在3GWCDMA系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)必須有1dB的增益解析度，而且動(dòng)態(tài)范圍必須大于80dBo現(xiàn)在我們用的GSM手機(jī)中，增益解析度為2dBo動(dòng)態(tài)范圍是30dB左右。傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)為兩次上變頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。包含變頻器，通道選擇濾波器，中頻可編程放大器，驅(qū)動(dòng)放大器和信道數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：I=Gcos(t"DQ=cos(t

7、90；)LO=cos(ct)RF=Gcos(tr)cos(ct)Dcos(ct)-cos(t90)sin(ct)其中，G是IQ振幅差異，是相位誤差，D是直流誤差。如前面所述，調(diào)制器的精度決定了發(fā)射機(jī)的信號(hào)的品質(zhì)好壞。當(dāng)輸入的基帶IQ信號(hào)在相位和幅度上面存在誤差時(shí)，會(huì)在調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生鄰信道泄漏。比如我們經(jīng)常碰到的調(diào)制譜的問(wèn)題。這里不展開(kāi)討論。根據(jù)上面的公式推導(dǎo)，當(dāng)輸入信號(hào)在DC方面存在誤差的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生載波泄漏(Carrierleakage)。這一點(diǎn)我們?cè)诤竺娣治鱿辔徽`差產(chǎn)生機(jī)理的時(shí)候，會(huì)詳細(xì)地談到。以上兩方面都會(huì)對(duì)調(diào)制精度產(chǎn)生影響。所以我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要降低IQ信號(hào)之間的相位、幅

8、度和直流誤差。回到上面?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)，傳統(tǒng)的二次變頻結(jié)構(gòu)有下面的缺點(diǎn)：(1)使用中頻通道選擇器降低了集成度。(2)耗電大。(3)信號(hào)輸出無(wú)法進(jìn)行更好的雜散抑制。為了克服上面的缺點(diǎn)，偏置鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生。5淮GSM4S5MHZCCS»1MHZOfhfllMix»fDner偏置鎖相環(huán)發(fā)射機(jī)架構(gòu)FLOMHzRFLOBofterGSM垃AMAOEMHeDCS:TXVCOGSM88091SMHiQCS.UgbSSMHeTransmrtterIC如上圖所示，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)一次上變頻，變成中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅后，通過(guò)鎖相環(huán)路對(duì)一個(gè)電壓控制振蕩器(TXVCO)進(jìn)行相位的

9、調(diào)制，從而產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)能夠降低發(fā)射機(jī)的功率消耗，輸出射頻信號(hào)中雜散比較低，同時(shí)更適合IC集成設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)也有自己的缺點(diǎn)，僅僅能夠用于恒定包絡(luò)系統(tǒng)。另外因?yàn)槠面i相環(huán)受到了環(huán)路帶寬的限制，只能用于窄帶通信系統(tǒng)。偏置鎖相環(huán)路發(fā)射結(jié)構(gòu)廣泛用于GSM系統(tǒng)中。直接上變頻發(fā)射架構(gòu)如下圖：DirecvCcrnuNkM】TransniitierRFillerK)Modu1洲BBPGAfilter基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器直接調(diào)制到射頻。非常簡(jiǎn)潔。這樣省去了中頻選擇濾波器和中頻混頻器。整個(gè)發(fā)射機(jī)能夠被整合到一個(gè)芯片上面。發(fā)射機(jī)的增益可以通過(guò)（基帶可編程增益衰減器）BBPGA和混頻器增益來(lái)控制。采用這種

10、結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)載波帶寬要比偏置鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)大，并且適用于非恒定包絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)然,這種結(jié)構(gòu)也有自己的缺點(diǎn)。由于本振信號(hào)和發(fā)射機(jī)載波頻率相同，本振信號(hào)泄漏到混頻器輸出端后，無(wú)法慮除。因此載波泄漏比較嚴(yán)重。過(guò)大載波泄漏造成接收機(jī)無(wú)法進(jìn)行解調(diào)。下面簡(jiǎn)單分析一下EDGE模式下的載波泄漏情況。當(dāng)系統(tǒng)需要很大的動(dòng)態(tài)增益范圍時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重。當(dāng)發(fā)射機(jī)功率降低的時(shí)候，泄漏的載波功率不會(huì)降低。因此當(dāng)泄漏的載波和發(fā)射信號(hào)功率的比值到達(dá)一定程度的時(shí)候，接收機(jī)根本無(wú)法解調(diào)出信號(hào)來(lái)。為此，直接上變頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)必須搭配載波抑制自動(dòng)校正回路來(lái)使用，這樣才能維持載波泄漏和發(fā)射功率之比為固定值。假設(shè)I=acos（M+g）+,Q=bs

11、in（缶t）,其中a為I信號(hào)的幅度,b為Q信號(hào)的幅度,日為I信號(hào)的相位偏移，為I信號(hào)的直流偏移。則，=Isin(.ct)Qcos(.ct)-lacos(t”.：,1sin(.ct)bsin(t)cos(.ct)acosibacosi-b二sin。c、：)t-sin。c.)t-22asinr,2bos(-c，c)t-cos(，cr>)tI'.-：sin(，/)從以上分析可以看出，若I/Q信號(hào)的幅度不相等，且I信號(hào)相對(duì)Q信號(hào)有相位偏移，即a#b,日#0,則在輸出的信號(hào)中會(huì)帶有(亂-®)的頻率分量，使得GSM信號(hào)的調(diào)制譜指標(biāo)惡化，導(dǎo)致相位誤差變大；若日第0,則在輸出信號(hào)中會(huì)增

12、加新的頻率分量，會(huì)對(duì)輸出調(diào)制譜造成惡化；若¥0,則在輸出信號(hào)中會(huì)引入本振頻率，也會(huì)對(duì)輸出調(diào)制譜造成惡化，導(dǎo)致相位誤差變大。以上這些因素，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候并不容易的調(diào)試，但是可以通過(guò)走線來(lái)避免出現(xiàn)這些情況。比如我們的I/Q信號(hào)線，I+和I-,Q+和Q-必須按照差分線來(lái)走，并且周圍必須要有地線對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，與一些高頻的數(shù)字線保持一定的隔離度，這樣就基本可以保證I/Q信號(hào)的不會(huì)受到干擾。相位誤差故障分析和調(diào)試以上我們講了很多結(jié)論性的東西，往往對(duì)一件事情直接描述后，給出結(jié)論。這樣可能讓大家比較困惑。比如說(shuō)，為什么直接上變頻結(jié)構(gòu)就比偏置鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)在電路設(shè)計(jì)上面挑戰(zhàn)更大？相位誤差到底是怎么出現(xiàn)的？由于理論水平有限，只能這樣敷衍一下了。下面就一些電路設(shè)計(jì)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行舉例分析。希望能夠拓寬大家的工作思路。相位誤差測(cè)試我們?cè)趯?shí)際工作當(dāng)中分為傳導(dǎo)測(cè)試和輻射測(cè)試兩種。以下敘述中不分開(kāi)討論。另外TCUAA3536已經(jīng)很少有人使用了。后面所有的討論只針對(duì)直接上變頻系統(tǒng)和相位誤差相關(guān)的幾個(gè)因素如下：I'Q信號(hào)直