發(fā)射信號調(diào)制精度EVM指標(biāo)分析

1、發(fā)射機信號調(diào)制精度EVM指標(biāo)分析1信號調(diào)制精度介紹調(diào)制精度是無線通信發(fā)射機的關(guān)鍵參數(shù)z。調(diào)制精度由調(diào)制誤差向最所代表，調(diào)制誤差矢最是實際符號與理想符號在調(diào)制質(zhì)最星座圖上位差的偏差值。這通過一個例子可以很好的解釋。在CDMA反向鏈路中，為了考慮功率有效性和頻譜有效性，偏移QPSK調(diào)制用J：PN傳輸碼。QPSK調(diào)制射頻信號可以由同和和正交信號組成，如卜：S(f)=6TZ(/)COS(697)-tz(?(/)sin(69r/)(5-3-1)其中(f)和(f)為同相和正交信號的幅度，可以分別表示如卜：&=8臥工1戲-燈,)(5-3-2)k=8卜V2A工Qg(f-kTc-Tc!i)(5-3-3)R=-o

2、上面的式子中，A是調(diào)制信號的振幅，厶和為1和0的卩碼序列，其數(shù)值為1或者-1。7；.是PN碼的一個傳輸周期，g(f)是脈沖成型濾波器的時域響應(yīng)函數(shù)，在脈沖成型Z前g(f)是一個矩形脈沖函數(shù)，g(f卜gf),如下:1,0Z7；.0.otherwise(5-3-4)為了簡化分析，一般使用矩形脈沖函數(shù)。將(5-3-2)帶入(5-3-4),00S(f)=力工cos血./+如一紅.)(5-3-5)&=-o這里如-紅.)定義如下:L譏)汕TQ/J(A+i/2)rr+iX=處，心心+1/2忙廠如，(R+1/2)TG(R+1)7；0（/-紅.）=如-或者如的真值表如表1。調(diào)制信號的星座圖如圖2所示。(b)表1

3、ChannelI利IQsequencemappingtophaseshiftDataPNSequenceMappingPNSequencePliaseShift%竝-or%0011才/410113龍/4111J-3才/4011J一龍/4【卻1.（a）IdealQPSKmodulationconstellation（b）correspondingdistortedmodulationconstellation使用離散的時間變最，時間間隔為Tc/2（半個碼片周期），而不使用連續(xù)的時間變量?？紤]式（5-3-1）,（5-3-5）和（5-3-6）,從式（5-3-2）和（5-3-3）中可以得到，當(dāng)t=kT

4、J2時，基帶I/Q調(diào)制信號為：伙J=4cos0（kJ（5-3-7）%(代)=4sin0(Rj(5-3-8)代表時間常數(shù)kT2，調(diào)制角度0(人)由式(5-3-6)所決定，并且映射關(guān)系如表1。調(diào)制以欠鼠形式表示如卜：粼卜石(燈-丿石()=Aexp0(Rj(5-3-9)當(dāng)調(diào)制到RF載波信號上時，因為L0信號的近端相位噪聲，調(diào)制一般會出現(xiàn)失真。當(dāng)調(diào)制的RF信號通過窄帶濾波器，由J窄帶濾波器的帶內(nèi)紋波和群時延失真，調(diào)制精度會進一步惡化。失真惡化后的調(diào)制欠鼠才(匕)可表示如卜:a(/)=d(/)+(/)(5-3-10)2()代表殘余誤差欠量。失真后調(diào)制欠彊的星座圖見圖1(b)O在無線通信系統(tǒng)中，調(diào)制精度由

5、誤差欠屆幅度EVM所表示，它定義為實際信號和理想信號的均方根誤差與理想信號的平均功率Z比。EVM的計算公式如F：EVM=(5-3-11)式(531)中，E代表平均期望。在CDMA系統(tǒng)中，波形系數(shù)。取代EVM來表示調(diào)制精度。波形系數(shù)被用來定義實際波形z(/)與理想波形間的相關(guān)系數(shù)，可以表示如卜：(5-3-12)工RZ：p=工圈2刃乙*=1*=1當(dāng)理想信號與誤差信號的互相關(guān)性可以忽略時，p和EVM的相互關(guān)系可以近似表示為:1i+EVM1(5-3-13a)P=(5-3-13b)在卜面章節(jié)，我們將討論影響調(diào)制精度EVM惡化的因素。從卜面子章節(jié)中推導(dǎo)出的結(jié)論盡管是從發(fā)射機中分析出來的，但人部分同樣可以用

6、接收鏈路調(diào)制精度的評估。2碼間干擾對EVM的影響調(diào)制的射頻沖頻信號通過一個非理想化的濾波器時，其調(diào)制精度會惡化。這個原因如卜：調(diào)制信號通常由符號組成，通過濾波后，由濾波器的群時延失真和幅度響應(yīng)波動原因,符號的波形系數(shù)也將失真，這樣將在鄰近的符號或者其他符號上產(chǎn)生干擾。這種干擾被稱作符號間干擾(ISI)或者碼間干擾(ICI)。當(dāng)調(diào)制信號通過非理想濾波器，特別是濾波器的帶寬接近與調(diào)制頻譜的帶寬時，ISI或者ICI是調(diào)制精度惡化的根本原因。其實，在開始產(chǎn)生傳輸信號時，ISI或者ICI已經(jīng)建立。為了得到傳輸信號的更高頻譜效率，最初的矩形符號或者碼片波形需要再次成形，這叫做脈沖成形。脈沖成型處理可以用數(shù)

7、學(xué)公式表示如卜如果矩形符號或者碼片是Qg(f),脈沖成形濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為饑血)，那么成形Z后的符號或者碼片波形aTXideal(t)可以表示如卜：%嗣)=)*arec,(t)5-3-14)這里表示卷積?，F(xiàn)在刈J：使用脈沖成形濾波器的無線通信系統(tǒng)中，符號或者碼片波形aTX可能引起対鄰近或者其他符號或者碼片造成干擾。比如，根升余弦RRC濾波器和修改后的根升余弦RRC濾波器具有脈沖系數(shù)，它們在WCDMA和CDMA移動基站發(fā)射機中作為成形濾波器使用。這種濾波器會對成形后的符號或者碼片造成ISI或者ICI。然|何在無線系統(tǒng)中，具有沖擊響應(yīng)hpsJr)的互補濾波器通常用響應(yīng)的接收機側(cè)，用補償相位和幅

8、度的失真，因而能夠消除或者減小發(fā)射機中脈沖成形造成ISI或者ICI。在響應(yīng)接收機中，理想的符號或者碼片波形如卜：aRxideal(/)=紅0)*hpSc(0*%(0(5-3-15)例如：具有滾降系數(shù)=0.22的根升余弦濾波器應(yīng)用J-WCDMA移動基站發(fā)射機中作為脈沖成形濾波器，并且同樣的濾波器用響應(yīng)接收機中作為互補濾波器。這兩個根升余弦濾波器級聯(lián)形成一個升余弦沖擊響應(yīng)。接收機中理想的碼片波形序列可以表示如卜：-紅)=丈0-紅)*%心-紅)k=yk=v(5-3-16)由升余弦濾波器成形后的符號或碼波形系數(shù)不對鄰近或者其他符號或者碼波形造成干擾，如圖2所示。因此我們在分析和計算傳輸調(diào)制精度時可以不

9、考慮脈沖成形濾波器對調(diào)制精度的惡化因素。另一方而，移動皋站發(fā)射機調(diào)制精度一般是基實際傳輸波形和理想波形Z間的差異而定義的，理想波形是由(53邛4)中符號或碼波形。很明顯，在理想傳輸波形中符號或碼的ISI或ICI對調(diào)制精度的惡化沒有貢獻，因為理想傳輸波形是測試發(fā)射機中調(diào)制精度的參考波形。NormalizedTime(t/Tc)圖2.Chiporsymbolwaveformsshapedbyaraisedcoanefilterhavingnomteiferencefromadpeentandotherwaveforms在發(fā)射通道中，脈沖成形濾波器以外的濾波器也可能導(dǎo)致調(diào)制精度的惡化，尤其是如信道濾

10、波器，其帶寬接近傳輸帶寬的帶通濾波器。假定濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)為,則成形后符號或碼波形aTxideal(t)通過濾波器后，將變成：aTx(f)=%斤(/)*aTxideal(t)(5-3-17)相應(yīng)的EVM可由脈沖響應(yīng)函數(shù)表示為:(5-3-18)EVM=在式(5-3-18)右側(cè)的平方根分子是符號或者碼的ISIs或ICIs,它是鄰近或者其他符號或碼的貢獻。式(5318)的平方根可以由卜面的公式獲得:(5-3-19)b+0/0+Sf%(単這里k等于1、2、3,2刃是采樣脈沖持續(xù)時間。利用(5-3-19),式(538)可以重寫成：EW%彳汕二(k)5-3-20)在當(dāng)前的無線移動基站發(fā)射機設(shè)計中，沒有

11、通道濾波器用J：發(fā)射機的IF模塊。一些低通濾波器用J：發(fā)射機的I/Q模擬基帶信道中，用抑制相鄰信道的發(fā)射功率，但是這些低通濾波器的帶寬通常比信道濾波器寬很多，因此它們對調(diào)制精度影響很小。低通濾波器刈EVM的影響人約只占5%或者更少。除此Z外，如果必要，預(yù)失真技術(shù)可以用來減小由J：低通濾波器的相位和幅度失真對調(diào)制精度的影響。然仏信道濾波器是用移動基站接收機中的。舉例：對一個用滾降系數(shù)a=0.5的升余弦濾波器符號成形的禎4QPSK調(diào)制信號，通過信道濾波器后，前面和連續(xù)符號的符號間干擾分別由0增加到0.075和0.066。根據(jù)這些數(shù)據(jù)并利用式(5-3-20),可以人約估計濾波后的信號調(diào)制精度為：EV

12、MISI=V0.0752+0.0662=9.98%接收信號的調(diào)制精度的惡化將引起解調(diào)基帶信號的信噪比的惡化。3頻率合成器近端相噪對EVM的影響影響調(diào)制精度惡化的另外一個主要貢獻是VHF/UHF頻率合成器的近端相位噪聲，VHF/UHF頻率合成器在發(fā)射機中用作調(diào)制器的本地振蕩器和上邊器mixer的本振信號。相位噪聲對EVM的影響可以通過卜而來評估。假定在式(5-3-10)中，矢最誤差是由頻率合成器的相位噪聲血(f)引起，則惡化的信號可表示為：萬(A粼)+貢)=亦)血(f)(5-3-21)是矢屋誤差的幅度為:阿啟)“葉=阿)(沖)=阿jcos血(/)一1+jsill血(/)=亦訃os0+sin2Zl

13、(r)=40“(f)/2f=0；(f)(5-3-22)曰為歸一化幅度。的概率平均是相位噪聲的自相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度有如卜的相互關(guān)系:17；Inn$一人(5-3-23)-oo基J;EVM的定義，由式（53“），我們可以根據(jù)頻率合成器的相位噪聲得出EVM表達式:EVM卄=jjT(5-3-24)-co通常發(fā)射機的頻率合成器的環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲為6080dBc/Hz。在頻率合成器的環(huán)路帶寬為合理寬的情況F,可以近似由下而的公式來計算評估:P沁汚2lkBW.M斶(5-3-25)這里竹心是頻率合成器環(huán)路帶寬內(nèi)的平均和位噪聲，單位dBc/Hz.叭祇如是頻率合成器的環(huán)路帶寬，單位為Hz。將式（5

14、325）帶入式（5324）,可得:Iphusc(5-3-26)E叫哄=応二胡210寸則圖如當(dāng)多個頻率合成器被使用時，EVM的計算公式為:E叫心=(5-3-27)舉例：假設(shè)，在一個CDMA發(fā)射機中使用兩次上變頻將基帶信號轉(zhuǎn)化為射頻信號，VHF和UHF頻段的頻率合成器的近端相位噪聲在1.23MHz內(nèi)積分分別為26dBc和28dBc,是在/_26_28=vio+io=6.4%這種情況匚由相位噪聲的影響，EVM為:EVMNphaw=NphaseVHF+NphaseUHF由J低通濾波器的影響對EVM的貢獻為5%,則EVM總和為:EVMr=JfVM二+EVM；ge=70.052+0.0642=&1%根據(jù)式

15、（533a）,相應(yīng)的波形系數(shù)。為:該EVM指標(biāo)可以得到一定改善，因為在上面計算中的積分相位噪聲比較高，每個頻率合成器的積分相位噪聲至少可以改善2dB以上。4載波泄露對調(diào)制精度的惡化基帶I和Q信道中直流偏置將引起載波泄露，從而導(dǎo)致傳輸信號調(diào)制精度的惡化。這可以用下面一個簡單的例子解釋引起調(diào)制精度惡化的原因。假設(shè)在基帶I和Q信道中直流偏置分別為，基帶信號（“和他在I和Q信道中分別為：(/)=/(f)COS0(/)+2&(5-3-28)4(f)=0(f)cos如)(5-3-29)其中兒）和0（”是I和Q基帶信號的幅度，如）是I和Q慕帶信號的相應(yīng)相位。調(diào)制器輸出是由I和Q正交基帶信號調(diào)制到IF或者RF

16、載波上，其可以表示為:(5-3-30)Ax(f)=(/)cosCDct一dQ(/)cosCOct=4(f)cos血+兇)+旅COS(M+&)這里為載波的角頻率J=2減,4（f）可以由/（/）和0（/）得到，如2A(/)=加)+如)(5-3-31)兇）代表著相位調(diào)制,其等于:/和。分別代表I和Q信道中總的直流偏置鼠和相移杲，如2(5-3-33)O=(Qdc/Mdc)(5-3-34)式(5-3-30)右邊就是載波泄露，也被稱作為earnerfeedthrough(CFT)。在此定義載波泄露功率與期望的信號傳輸功率之比為載波抑制比單位為dE,如卜:PVCs=101og-=201ogC如(5-3-35

17、)PtxTxnns顯而易見，載波泄露的均方根電壓等J：Vcft曲=丄近(5-3-36)然而，對J：AM調(diào)制方式的RF信號，其平均信號功率的均方根電壓可以根據(jù)期望的信號峰值幅度4皿、以及其峰均比(PAR)計算得到，如卜：20】og珞xW3$5=10(5-3-37)舉例：CDMAIS-95的峰均比人約為3.9dB,基帶I和Q信號的峰值=2=1.0V,J-是我們可以計算得到其均方根值電壓為：201og(0.SxV2)-3.9-3%廠10飛“32U基帶I和Q信道的直流偏置引起earnerfeedthrough,但這不是引起該問題的根本原因。因為調(diào)制器和上變頻器的LO端II和RMF端IIZ間的隔離度一般

18、人約只有-30dBc,從而導(dǎo)致調(diào)制器和上變頻器也可以引起載波泄露。而不論載波泄露是由什么原因引起，載波泄露均會導(dǎo)致傳輸信號的調(diào)制精度的惡化，相應(yīng)的EVMctt可以通過總的載波抑制比C$計算得到，如卜:EVMcn.(5-3-38)IsZ=Vio10=io10Va=icy是第k個影響載波泄露相対總的載波泄露的載波抑制比，n為影響因素的數(shù)最。比如，I/Q直流偏置引起的載波抑制比cjg，調(diào)制器和上變頻器的LO和RMF端II間隔離度引起的載波抑制比為七収,那么由J：載波泄露引起的調(diào)制惡化，EVM指標(biāo)為:I7EVMC,T=10+10市=J(l995+l585)xl(T=5.98%另一方面，基J：EVM指標(biāo)

19、預(yù)算上，我們可以對因為I和Q信道直流偏置和上變頻器的LO與IF/RF端11隔離度所引起的載波泄露電平進行分配。從分配到的直流偏置和隔離度引起的載波泄露電平,我們可以從式(5-3-35).(5-3-36)和(5-3-33)確定所允許的I/Q信道直流偏置，但是L0與GRP間隔離度的最小耍求可以通過將式(5-3-33)的分母用LO信號功率或者均方根電壓替代后計算得到。比如：如果因為直流偏置引起載波泄露從而導(dǎo)致調(diào)制精度惡化，其指標(biāo)要求EVMcrr/2x0.014xl000=19.8mV實際上，在每個I/Q信道中最大所能允許的直流偏置大約為14.0mVa5引起調(diào)制精度惡化的其他因素影響傳輸調(diào)制精度的其他

20、因素有：I/Q基帶信號的幅度和相位失真、功率放人器的非線性、反射引起的LO信號的再調(diào)制以及低輸出功率的信道內(nèi)相位噪盧。這些因素不是調(diào)制精度惡化的主耍貢獻，但是在某些情形卜，比如低輸出功率，它們中的某些因素將決定調(diào)制精度的性能。5.1I/Q不平衡導(dǎo)致調(diào)制精度惡化I和Q基帶信號間的幅度和相位不平衡將產(chǎn)生的鏡像信號，鏡像信號具有與有用傳輸信號相同的載波和頻譜帶寬。假定由I和Q信道和正交調(diào)制器引起的總歸一化幅度不平衡為1,1+5)：I和Q信道信號的相位不平衡偏離90度度，相對而言正交調(diào)制器引起的和位誤差O比較小，J：是傳輸信號將包含不希望有的鏡像產(chǎn)物，傳輸信號表示如卜：fTxmM)Jl+2(l+“co

21、s(+e+(l+bos叫+血)+切1(5-3-39)+A(f)卜加+)cosf一B+(1+迂ms固_如)+切式(5-3-39)中右邊第二項是不期望的鏡像產(chǎn)物，其具有與有用信號鏡像頻譜和和同的帶寬。鏡像抑制度IMG、定義為鏡像產(chǎn)物功率與有用傳輸信號功率之比，其通常用対數(shù)形式表圖3.linageresponsesversusamplitudeandphaseimbalances10210(5-3-40)由J：鏡像產(chǎn)物引起的EVM為:1Q(5-3-41)通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧可以很容易得到30dEc的抑制度,當(dāng)鏡像抑制度IMG、=-30dBc,則EVM叭約等丁:一3076=EV%3.2%圖3.linager

22、esponsesversusamplitudeandphaseimbalances10210圖3.linageresponsesversusamplitudeandphaseimbalances10210通常，鏡像產(chǎn)物不會過多的惡化調(diào)制棘度。如IMG,=-30dBc,而且相位不平衡主要由I和Q信道引起，也就是說，利用IR=IMG從卜圖3我們可以評估容許的幅度和相位不平衡為0.3dE和1度。10(dp)ouercqul-Dpn七一dEVImageResponse10-110210-3W110PhaseImbalanee(Degree)5.2非線性對EVM的影響對比如CDMA、WCDMA、TDMA和EDGE等幅度調(diào)制的傳輸信號,