针对无线宽带相位噪声的测试方案

时间：2008-08-12 10:11:00

关键字：无线宽带测试方案相位噪声频谱分析仪

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[导读]无线通信产业正在通过增加调制复杂度和调制带宽向着更高的射频（RF）频率和数据率的方向发展。这些宽带无线系统必须要有可靠的测量技术作为支持。

无线通信产业正在通过增加调制复杂度和调制带宽向着更高的射频（RF）频率和数据率的方向发展。这些宽带无线系统必须要有可靠的测量技术作为支持。

关键指标

误差矢量幅度（EVM）是一种严格的规范，经常用于描述传输信号的调制质量。EVM测量的是理想的参考波形与被测波形之间的差别。如果接收机的EVM很差，它能够正确恢复传输信号的能力就会下降，这会增加蜂窝边缘的误码率（BER），导致覆盖范围缩小。

图1 上述的QPSK信号中的相位抖动降低了接收机的灵敏度

造成EVM差的原因之一是发射机和接收机当中所有振荡器的相位噪声。正交相移键控调制（QPSK）信号的相位噪声看上去像星座图的旋转（见图1），缩短了星座点之间的距离，所以对于给定的误码率，接收机就需要更高的信噪比。因此相位噪声降低了接收机的灵敏度。

对于像LTE和WiMAX当中的正交频分复用（OFDM）信号，本振（LO）的相位噪声叠加在n个副载波上的。这里的相位噪声有两个效果：（1）所有副载波的随机相位旋转常称为公共相位误差（CPE）；（2）载频间干扰（ICI）是由给定的副载波被n-1个相邻的带有噪声的副载波恶化而产生的。

OFDM符号包含特定的被称为“导频”的副载波，“导频”能帮助接收机跟踪到CPE，同时估计出传输信道的频率响应。这些“导频”并不会改善ICI，但它仍然会影响EVM。这会导致相位噪声对OFDM的影响略微不同于对传统的QPSK信号的影响，但是相位噪声仍然是信号恶化的一个重要原因。

对于64-QAM调制的OFDM来说，对发射机输出端的EVM的要求非常严格：均方根的典型值是2.7%左右。这就是为什么本振的相位噪声和抖动对于本振锁相环（PLL）的设计很关键的原因。要实现均方根2.7%的EVM，我们推荐将总相位抖动均方根值低于1°作为选择合成器的标准。

测量相位噪声

由于相位噪声对EVM有如此重要的影响，所以在开发过程中检验本振的相位噪声性能就非常关键。虽然低成本设备（比如用户设备或者毫微微蜂窝设备）的生产测试次数较少，不允许进行这种深入测试，但是相位噪声测量功能却有助于过程监控和排除生产问题。

图2 CW信号在它的边缘展示了相位噪声

在频谱分析仪中，通过观察信号的“边缘”，可以很容易看到相位噪声。频率相当缓慢的倾斜就显示了相位噪声（见图2）。然而这幅频谱分析仪的图并没有显示抖动强度有多大。

现代的频谱分析仪可以很容易测量dBc/Hz为单位的相位噪声，或者以角度、弧度或者秒为单位的相位抖动。频谱分析仪的相位噪声测量适用于中等质量的合成器，比如在商用无线用户设备或者毫微微蜂窝设备中的合成器，甚至可能用在基站中的合成器中。在这里的示例中（见图3），频谱分析仪测量得到2.3GHz的信号在10kHz～5MHz范围内的抖动是0.1°，很明显，它完全可以胜任测量本振的工作。

然而，频谱分析仪不适用于测量质量很高的合成器，比如实验室标准的合成信号发生器或者原子钟。在这些情况下，测量结果是频谱分析仪的残留相位噪声基底，而不是被测设备。

当测量有漂移的信号源时，比如压控振荡器（VCO），频谱分析仪同样有局限性，因为VCO的频率漂移会影响测量结果。在偏移量较大时，比如大于1MHz，这通常不是问题，但是偏移量较小时，比如1kHz，VCO的输出会经常漂出测量范围，导致结果无效。

因为相位噪声是用dBc/Hz为单位来测量的，但是本振需要用角度的均方根来测量，所以需要一些转换，这就要对相位噪声在数十个偏置范围内进行积分，并且转换到恰当的单位——角度、弧度或者秒。虽然你可以手动完成这一复杂的过程，但是让设备完成要简单得多。

偏移量范围的问题

但是这会产生一个问题：在什么偏移量范围内进行积分？对于OFDM，一个不错的经验法则是，将码元速率到系统带宽的偏移量作为积分范围。码元速率的限制是因为接收机消除了CPE，而CPE主要位于码元速率以下的偏移量处。超出系统带宽的偏移量被接收滤波器滤除了，所以就没有什么影响了。

对于WiMAX，准确的偏移量取决于使用的具体配置，比如说，可以使用10kHz～5MHz的偏移量。对于LTE，原理是相同的，但是偏移量会稍有不同，它同样取决于无线电的使用模式。比如，LTE可以使用15kHz～20MHz的范围。