Wi-Fi产品射频电路EVM降低原因及测试方法

具有频谱分析仪、向量信号分析仪(VSA)及功率表(带信号分析软件,如LitePoint的IQview 802.11a/b/gWLAN 测量方法及其相关的IQsignal软件包)能力的测试仪是分析大多数WLAN发射机问题的必备工具。利用频谱分析仪与功率表能力可以测量频率偏差、瞬态信号、相位噪声、同带信号传输功率、相邻信道功率及其它参数,而VSA能力则可以将特定的信号解调成正交分量,因此可将复杂的信号显示为具有幅度和相位特性的向量或者显示其完整的信号星座图。信号分析软件可随之简化测量过程并同时提供性能测试的统计评估结果。

利用这些工具,可以在调制域、时域及频域进行测量,在设计过程与生产期间评估发射机性能并查找其故障。此外,由于允许测量一个简单方便的品质因数——误差向量幅度(EVM),将表征发射RF信号的许多参数简化为单一参数,因此这些工具简化了802.11a/b/g所需的复杂波形分析。在生产线测试中,EVM可作为合格与否的标尺以简化发射机的质量保证并提高测试吞吐量,而在设计过程中,EVM则是一个很有价值的总体信号质量指标。

误差向量幅度是测量调制精度与发射机性能的一个直接测量指标。从质量上讲,EVM反映了误差向量,它定义为信号星座图中测量信号与理想无差错点之间的差别。测量信号在幅度和相位方面均不同于理想信号。完全确定不变的信号恶化只是使信号偏离了其理想点。但在存在码间串扰和噪声的情况下,重复测量结果明显地显示出测量信号围绕理想信号进行随机变化,这种随机变化现象定义为围绕理想信号星座图点的"误差云"。

802.11/a/b/g标准采用EVM来描述发射机的总调制精度,并给出如何测量802.11b和802.11g的直接序列扩频信号以及802.11a/g的OFDM信号EVM的综合方法。比如,802.11a/g标准采用BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAMOFDM信号。该标准通过在构成符号的所有OFDM数据副载波(subcarrier)中以及构成帧的所有OFDM符号(每帧最少有16个符号)中进行信号抽样,然后用信号星座图点的平均功率进行归一化,并求出至少20帧的平均值来定义这些信号的EVM。这样就可以确定各特定802.11a/b/g模式的单一EVM值。

对于采用低阶调制类型的802.11b 来说,标准允许相对较高的EVM值,而对于采用高阶调制类型的802.11a/g来说,则规定了更严格的(较低的)EVM值。标准也对不同的调制技术规定了不同的EVM计算方法——对于802.11b/g的相对低数据速率直接序列扩频信号,按峰值计算EVM,而对于802.11a/g的高数据速率OFDM信号,则计算多载波与多符号的EVM平均值。从直观上讲,发射的EVM必须足够小,以使失真信号不能靠近星座图的判定边界,特别是在存在加性噪声以及有其它信道和接收机影响的情况下。高数据速率的802.11a/g采用高阶调制技术,因此更容易受到发射信号减损的影响——给定的EVM值对16-QAM或64-QAM信号的影响程度将超过QPSK或CCK信号,因为它们的判决区域更小。

在大多数802.11a/b/g的应用中,WLAN基带处理器都会对信号进行调制,在片内或片外的D/A转换之后,提供I(同相)与Q(正交)的模拟输出信号,由随后的RF部分进行上变频。WLAN基带处理器的操作通常不是造成发射信号减损的根源,减损主要是由于经PCB设备和RF电路的信号通道的模拟变化造成的。元件变化、PCB印刷线路布局缺陷、晶体振荡器与频率合成器的不稳定性、功率放大器的失真以及寄生信号的存在都会促使发射信号的恶化。

EVM能表达多数不同的信号失真效应。较差的EVM测量结果本身就说明了问题,特别是在与其它参数的测量结果组合使用时,可有助于确定下述发射信号减损：I/Q失衡(幅度、相位、群延迟);相位噪声;寄生信号与瞬态效应;信号压缩效应。

I 与Q之间的失衡或失配会直接影响调制精度。沿PCB印刷线路上的I与Q信号通道产生的寄生电容与寄生电感的差异会导致I/Q失衡,就像元件变化甚至基带与RF IC设计变更造成的I/Q失衡那样。

由于幅度与相位失衡,星座图会有些失真与模糊不清,而不是一些清晰定义的点。在本例中,I/Q失衡的影响导致了大约-30dB的EVM值,而该值正好与单独测量的每个副载波的EVM值基本相同。由于调制导频信号的数据之间存在固定的关系,因此其星座点看起来比数据星座点更清晰,并且提供一种定性评估I/Q失衡影响的简单方法。I/Q幅度失配使导频信号大都散布在I轴,而I/Q相位失配则使导频信号大都散布在Q轴 。

除了幅度与相位失衡之外,I与Q信号之间不同的群延迟会对调制精度带来不良影响。这种失衡通常与基带I与Q信号的PCB布局以及不同的印刷线路长度有关。星座图点将再次显示出失真,但群延迟差异的影响取决于频率,对每个OFDM副载波的影响也不同。

当信号与本振(LO)信号混合并从基带频率转换为RF频率时,相位噪声会进入到信号中。LO相位噪声分配反映了频率合成器使用的参考晶体振荡器的频率稳定性、合成器锁相环(PLL)使用的压控振荡器(VCO)的频率稳定性以及频率合成器使用的PLL的环路带宽。PLL对于晶体振荡器来说是低通滤波器,对于自激VCO来说是高通滤波器。根据PLL的环路带宽,理想的合成器输出相位噪声频谱密度由以下因素决定：低频偏移下较好的晶体振荡器长期稳定性;高频偏移下较好的VCO短期稳定性;带内PLL自身鉴相器与分频器所产生的带内噪声为基底。

相位噪声影响调制精度,与其它减损一样,也会影响到EVM。在本例中,最终的EVM约为-25dB。数据速率较低时,符号时间内的积分消除了短期频率不稳定性的最坏影响,剩下的只有晶体振荡器的长期稳定性的影响。对于802.11a/g在最高数据速率下使用的OFDM信号,通过在接收机上使用导频信号来跟踪信号的相位变化,可以减轻相位噪声的影响。只要相位变化相对于符号速率来说比较慢,就可以对信号的相位变化进行跟踪与补偿。 

应该去除过多的相位噪声,因为过多的相位噪声可能是出现各种问题的征兆,比如晶体振荡器的噪声、电源噪声产生的寄生信号或者电路板屏蔽不充分、送入频率合成器或混频器中的参考晶体振荡器信号电平不正确或者其它设计或生产问题。将过多的相位噪声确定为不良EVM成因的最佳途径就是检查相位噪声的能谱密度(PSD)。某些具有VSA能力的单机测试器,如LitePoint的IQview可以对WLAN调制信号进行相位噪声分析。

在802.11a/b/g设计适合于大量生产之前,实现过程不允许存在会对发射机性能产生不良影响的寄生信号与瞬态效应。如前所述,参考晶体振荡器与频率合成器VCO对电源噪声、DC-DC转换器开关噪声或未屏蔽信号特别敏感。这种寄生信号与晶体振荡器或VCO之间的耦合会引入相位噪声,从而降低发射信号的质量。

要隔离或确定会降低发射机性能的瞬态效应是非常困难的。比如,RF功率放大器在有WLAN脉冲通信时打开,而没有通信时关闭以最大限度降低功耗。当功率放大器在脉冲来临之前启动时,功率放大器将产生较大的电流并可能导致电源产生电压降或引起接地电流。除非电路板的其它部分完全消除这些影响,否则它们会影响晶体振荡器或频率合成器,引入瞬态频率误差与相位噪声而瞬时降低发射信号的质量。功率放大器通电所产生的这种频率推移以及振荡器对电源电压的敏感性会因其持续时间的长短而带来不同的影响。

802.11b/g标准需要首先发射短或长同步码(preamble),短同步码的持续时间为72ms,长同步码的持续时间为144ms。与此相对,802.11a/g标准需要先发射10个重复的总计8ms 的短训练序列(short training sequence),后跟2个重复的总计另外8ms的长训练序列(long training sequence)。缓慢稳定的瞬态频率误差会破坏802.11a/g信号,甚至对802.11b/g支持的低数据速率产生不良影响。如果一个特殊的接收机设计对发射频率的估算是建立在前几微秒同步码的基础上的话,则快速稳定的发射频率误差也会影响性能。但要了解是否发生这种瞬态响应是很困难的,在设计过程的所有阶段检查信号的频率误差与时间关系的曲线时也许并未发生瞬态响应。某些测试仪器,如IQview允许根据短训练序列、长训练序列或全数据包的频率估算量计算OFDM信号的EVM(如果最终的EVM值变化较大),因而这也是发射频率可能受到瞬态误差影响的因素。

要将功耗降至最低并以最高的效率进行操作,RF功率放大器应在接近其饱和点的理想状态下进行操作。但除非功率放大器的平均输出功率减小(偏离满功率),否则不同的调制类型仍会将放大器推入其饱和区域并使信号饱和。与放大器饱和相关的非线性随后会导致谐波失真、互调失真与频谱再生、交叉调制、SNR恶化以及调制不准确。信号饱和的程度反映了功耗与信号质量之间的折衷,也直接影响了产品成本与质量。如果饱和程度过大,则会降低发射信号质量,如果饱和程度过小,则可能需要更昂贵的RF功率放大器以达到所需的平均输出功率。

802.11b/g采用的单载波M维移相键控(M-aryPSK)信号通常可在压缩的状态下进行操作,直到频谱再生引入邻信道干扰或超出了要求的频谱模板。利用频谱分析仪测量RF输出频谱可以快速地揭示这种效应。对于这种信号,压缩通常不会影响EVM到超过标准规定值或显著影响BER性能的程度。

但802.11a/g采用的多载波OFDM信号通常需要放大器更大程度地偏离满功率,因为它们之间的峰值-平均功率比(PAPR)很高。功率放大器的操作点必须减少,以确保OFDM信号的输入电压漂移不会使放大器进入饱和区域引起互调与频谱再生效应,以免对OFDM 信号的52个副载波带来不良影响。

注意,802.11a/g标准规定：低于-25dB的发射机EVM支持54Mbps,低于-22dB的发射机EVM支持48Mbps 。