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工程师操作指南:RF指标的内在和意义 (二)

2020.10.26
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

6、SEM (Spectrum Emission Mask) 

讲 SEM 的时候,首先要注意它是一个“带内指标”,与 spurious emission 区分开来,后者在广义上是包含了 SEM 的,但是着重看的其实是发射机工作频段之外的频谱泄漏,其引入也更多的是从 EMC(电磁兼容)的角度。 

 

SEM 是提供一个“频谱模版”,然后在测量发射机带内频谱泄漏的时候,看有没有超出模版限值的点。可以说它与 ACLR 有关系,但是又不相同:ACLR 是考虑泄漏到邻近信道中的平均功率,所以它以信道带宽为测量带宽,它体现的是发射机在邻近信道内的“噪声底”;SEM 反映的是以较小的测量带宽(往往 100kHz 到 1MHz)捕捉在邻近频段内的超标点,体现的是“以噪声底为基础的杂散发射”。 

 

如果用频谱仪扫描 SEM,可以看到邻信道上的杂散点会普遍的高出 ACLR 均值,所以如果 ACLR 指标本身没有余量,SEM 就很容易超标。反之 SEM 超标并不一定意味着 ACLR 不良,有一种常见的现象就是有 LO 的杂散或者某个时钟与 LO 调制分量(往往带宽很窄,类似点频)串入发射机链路,这时候即便 ACLR 很好,SEM 也可能超标。 

 

7、EVM(误差矢量) 

首先,EVM 是一个矢量值,也就是说它有幅度和角度,它衡量的是“实际信号与理想信号的误差”,这个量度可以有效的表达发射信号的“质量”——实际信号的点距离理想信号越远,误差就越大,EVM 的模值就越大。 

 

在(一)中我们曾经解释过为什么发射信号的信噪比不是那么重要,原因有二:第一是发射信号的 SNR 往往远远高于接收机解调所需要的 SNR;第二是我们计算接收灵敏度时参考的是接收机最恶劣的情况,即在经过大幅度空间衰落之后,发射机噪声早已淹没在自然噪声底之下,而有用信号也被衰减到接收机的解调门限附近。 

 

但是发射机的“固有信噪比”在某些情况下是需要被考虑的,譬如近距离无线通信,典型的如 802.11 系列。 

 

802.11 系列演进到 802.11ac 的时候,已经引入了 256QAM 的调制,对于接收机而言,即便不考虑空间衰落,光是解调这样高阶的正交调制信号就已经需要很高的信噪比,EVM 越差,SNR 就越差,解调难度就越高。 

 

做 802.11 系统的工程师,往往用 EVM 来衡量 Tx 线性度;而做 3GPP 系统的工程师,则喜欢用 ACLR/ACPR/Spectrum 来衡量 Tx 线性性能。 

 

从起源上讲,3GPP 是蜂窝通信的演进道路,从一开始就不得不关注邻信道、隔信道(adjacent channel, alternative channel)的干扰。换句话说,干扰是影响蜂窝通信速率的第一大障碍,所以 3GPP 在演进的过程中,总是以“干扰最小化”为目标的:GSM 时代的跳频,UMTS 时代的扩频,LTE 时代 RB 概念的引入,都是如此。 

 

而 802.11 系统是固定无线接入的演进,它是秉承 TCP/IP 协议精神而来,以“尽最大能力的服务”为目标,802.11 中经常会有时分或者跳频的手段来实现多用户共存,而布网则比较灵活(毕竟以局域网为主),信道宽度也灵活可变。总的来说它对干扰并不敏感(或者说容忍度比较高)。 

 

通俗的讲,就是蜂窝通信的起源是打电话,打不通电话用户会去电信局砸场子;802.11 的起源是局域网,网络不好大概率是先耐着性子等等(其实这时候设备是在作纠错和重传)。 

 

这就决定了 3GPP 系列必然以 ACLR/ACPR 一类“频谱再生”性能为指标,而 802.11 系列则可以以牺牲速率来适应网络环境。

 

具体说来,“以牺牲速率来适应网络环境”,就是指的 802.11 系列中以不同的调制阶数来应对传播条件:当接收机发现信号差,就立即通知对面的发射机降低调制阶数,反之亦然。前面提到过,802.11 系统中 SNR 与 EVM 相关很大,很大程度上 EVM 降低可以提高 SNR。这样我们就有两种途径改善接收性能:一是降低调制阶数,从而降低解调门限;二是降低发射机 EVM,使得信号 SNR 提高。 

 

因为 EVM 与接收机解调效果密切相关,所以 802.11 系统中以 EVM 来衡量发射机性能(类似的,3GPP 定义的蜂窝系统中,ACPR/ACLR 是主要影响网络性能的指标);又因为发射机对 EVM 的恶化主要因为非线性引起(譬如 PA 的 AM-AM 失真),所以 EVM 通常作为衡量发射机线性性能的标志。

 

7.1、EVM 与 ACPR/ACLR 的关系 

很难定义 EVM 与 ACPR/ACLR 的定量关系,从放大器的非线性来看,EVM 与 ACPR/ACLR 应该是正相关的:放大器的 AM-AM、AM-PM 失真会扩大 EVM,同时也是 ACPR/ACLR 的主要来源。 

 

但是 EVM 与 ACPR/ACLR 并不总是正相关,我们这里可以找到一个很典型的例子:数字中频中常用的 Clipping,即削峰。Clipping 是削减发射信号的峰均比(PAR),峰值功率降低有助于降低通过 PA 之后的 ACPR/ACLR;但是 Clipping 同时会损害 EVM,因为无论是限幅(加窗)还是用滤波器方法,都会对信号波形产生损伤,因而增大 EVM。 

 

7.2、PAR 的源流 

PAR(信号峰均比)通常用 CCDF 这样一个统计函数来表示,其曲线表示的是信号的功率(幅度)值和其对应的出现概率。譬如某个信号的平均功率是 10dBm,它出现超过 15dBm 功率的统计概率是 0.01%,我们可以认为它的 PAR 是 5dB。 

 

PAR 是现代通信系统中发射机频谱再生(诸如 ACLP/ACPR/Modulation Spectrum)的重要影响因素。峰值功率会将放大器推入非线性区从而产生失真,往往峰值功率越高、非线性越强。 

 

在 GSM 时代,因为 GMSK 调制的衡包络特性,所以 PAR=0,我们在设计 GSM 功放的时候经常把它推到 P1dB,以得到最大限度的效率。引入 EDGE 之后,8PSK 调制不再是衡包络,因此我们往往将功放的平均输出功率推到 P1dB 以下 3dB 左右,因为 8PSK 信号的 PAR 是 3.21dB。 

 

UMTS 时代,无论 WCDMA 还是 CDMA,峰均比都比 EDGE 大得多。原因是码分多址系统中信号的相关性:当多个码道的信号在时域上叠加时,可能出现相位相同的情况,此时功率就会呈现峰值。 

 

LTE 的峰均比则是源自 RB 的突发性。OFDM 调制是基于将多用户/多业务数据在时域上和频域上都分块的原理,这样就可能在某一“时间块”上出现大功率。LTE 上行发射用 SC-FDMA,先用 DFT 将时域信号扩展到频域上,等于“平滑”掉了时域上的突发性,从而降低了 PAR。


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