使用先進(jìn)的信號分析技術(shù)確定WLAN發(fā)射機(jī)降級的原因

摘    要：本文舉例說明了設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證工程師如何利用誤差向量幅度(EVM)、頻率誤差、相位噪聲及發(fā)射功率包絡(luò)來辯識WLAN發(fā)射機(jī)性能降級的原因。特別講述了發(fā)現(xiàn)并化解幅度、相位、I與Q信道之間的群延遲失衡、相位噪聲、寄生信號、瞬態(tài)效應(yīng)、信號壓縮對發(fā)射機(jī)性能的影響時所采用的一些技術(shù)。
802.11/a/b/g WLAN發(fā)射機(jī)的性能會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。在當(dāng)今WLAN產(chǎn)品市場空間擁擠、利潤微薄的情況下，提高質(zhì)量無疑會使產(chǎn)品更具特色并增加其銷售量，還能減少退貨并提高生產(chǎn)效益以及收益率。但是，發(fā)射機(jī)的性能很容易受到RF部分的設(shè)計(jì)選擇、電路板布局及其實(shí)現(xiàn)方式、元件的變化及更替等因素的影響，并且會由于802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)所要求的調(diào)制類型和頻帶的不同而變得更加復(fù)雜。
具有頻譜分析儀、向量信號分析儀(VSA)及功率表(帶信號分析軟件，如LitePoint的IQview 802.11a/b/g WLAN 測量方法及其相關(guān)的IQsignal軟件包)能力的測試儀是分析大多數(shù)WLAN 發(fā)射機(jī)問題的必備工具。利用頻譜分析儀與功率表能力可以測量頻率偏差、瞬態(tài)信號、相位噪聲、同帶信號傳輸功率、相鄰信道功率及其它參數(shù)，而VSA能力則可以將特定的信號解調(diào)成正交分量，因此可將復(fù)雜的信號顯示為具有幅度和相位特性的向量或者顯示其完整的信號星座圖。信號分析軟件可隨之簡化測量過程并同時提供性能測試的統(tǒng)計(jì)評估結(jié)果。   
利用這些工具，可以在調(diào)制域、時域及頻域進(jìn)行測量，在設(shè)計(jì)過程與生產(chǎn)期間評估發(fā)射機(jī)性能并查找其故障。此外，由于允許測量一個簡單方便的品質(zhì)因數(shù)——誤差向量幅度(EVM)，將表征發(fā)射RF信號的許多參數(shù)簡化為單一參數(shù)，因此這些工具簡化了802.11a/b/g所需的復(fù)雜波形分析。在生產(chǎn)線測試中，EVM可作為合格與否的標(biāo)尺以簡化發(fā)射機(jī)的質(zhì)量保證并提高測試吞吐量，而在設(shè)計(jì)過程中，EVM則是一個很有價值的總體信號質(zhì)量指標(biāo)。

誤差向量幅度
誤差向量幅度是測量調(diào)制精度與發(fā)射機(jī)性能的一個直接測量指標(biāo)。從質(zhì)量上講，EVM 反映了誤差向量，它定義為信號星座圖中測量信號與理想無差錯點(diǎn)之間的差別。測量信號在幅度和相位方面均不同于理想信號。完全確定不變的信號惡化只是使信號偏離了其理想點(diǎn)。但在存在碼間串?dāng)_和噪聲的情況下，重復(fù)測量結(jié)果明顯地顯示出測量信號圍繞理想信號進(jìn)行隨機(jī)變化，這種隨機(jī)變化現(xiàn)象定義為圍繞理想信號星座圖點(diǎn)的“誤差云”。
802.11/a/b/g標(biāo)準(zhǔn)采用EVM來描述發(fā)射機(jī)的總調(diào)制精度，并給出如何測量802.11b和802.11g的直接序列擴(kuò)頻信號以及802.11a/g的OFDM信號EVM的綜合方法。 比如，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)采用BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM OFDM信號。該標(biāo)準(zhǔn)通過在構(gòu)成符號的所有OFDM數(shù)據(jù)副載波(subcarrier)中以及構(gòu)成幀的所有OFDM符號(每幀最少有16個符號)中進(jìn)行信號抽樣，然后用信號星座圖點(diǎn)的平均功率進(jìn)行歸一化，并求出至少20幀的平均值來定義這些信號的EVM 。這樣就可以確定各特定802.11a/b/g模式的單一EVM值。
對于采用低階調(diào)制類型的802.11b 來說，標(biāo)準(zhǔn)允許相對較高的EVM值，而對于采用高階調(diào)制類型的802.11a/g 來說，則規(guī)定了更嚴(yán)格的(較低的)EVM值。標(biāo)準(zhǔn)也對不同的調(diào)制技術(shù)規(guī)定了不同的EVM計(jì)算方法——對于802.11b/g的相對低數(shù)據(jù)速率直接序列擴(kuò)頻信號，按峰值計(jì)算EVM，而對于802.11a/g 的高數(shù)據(jù)速率OFDM信號，則計(jì)算多載波與多符號的EVM平均值。從直觀上講，發(fā)射的EVM 必須足夠小，以使失真信號不能靠近星座圖的判定邊界，特別是在存在加性噪聲以及有其它信道和接收機(jī)影響的情況下。高數(shù)據(jù)速率的802.11a/g采用高階調(diào)制技術(shù)，因此更容易受到發(fā)射信號減損的影響——給定的EVM值對16-QAM或64-QAM信號的影響程度將超過QPSK或CCK信號，因?yàn)樗鼈兊呐袥Q區(qū)域更小。

典型的發(fā)射機(jī)減損
在大多數(shù)802.11a/b/g 的應(yīng)用中，WLAN基帶處理器都會對信號進(jìn)行調(diào)制，在片內(nèi)或片外的D/A轉(zhuǎn)換之后，提供I(同相)與Q(正交)的模擬輸出信號，由隨后的RF部分進(jìn)行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發(fā)射信號減損的根源，減損主要是由于經(jīng)PCB設(shè)備和RF電路的信號通道的模擬變化造成的。元件變化、PCB印刷線路布局缺陷、晶體振蕩器與頻率合成器的不穩(wěn)定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會促使發(fā)射信號的惡化。
EVM能表達(dá)多數(shù)不同的信號失真效應(yīng)。較差的EVM測量結(jié)果本身就說明了問題，特別是在與其它參數(shù)的測量結(jié)果組合使用時，可有助于確定下述發(fā)射信號減損：I/Q失衡(幅度、相位、群延遲)；相位噪聲；寄生信號與瞬態(tài)效應(yīng)；信號壓縮效應(yīng)。

I/Q失衡
I 與Q之間的失衡或失配會直接影響調(diào)制精度。沿PCB印刷線路上的I 與Q信號通道產(chǎn)生的寄生電容與寄生電感的差異會導(dǎo)致I/Q失衡，就像元件變化甚至基帶與RF IC設(shè)計(jì)變更造成的I/Q失衡那樣。
由于幅度與相位失衡，星座圖會有些失真與模糊不清，而不是一些清晰定義的點(diǎn)。在本例中，I/Q 失衡的影響導(dǎo)致了大約-30dB的EVM值，而該值正好與單獨(dú)測量的每個副載波的EVM值基本相同。由于調(diào)制導(dǎo)頻信號的數(shù)據(jù)之間存在固定的關(guān)系，因此其星座點(diǎn)看起來比數(shù)據(jù)星座點(diǎn)更清晰，并且提供一種定性評估I/Q 失衡影響的簡單方法。I/Q幅度失配使導(dǎo)頻信號大都散布在I軸，而I/Q相位失配則使導(dǎo)頻信號大都散布在Q軸 。
除了幅度與相位失衡之外，I與Q信號之間不同的群延遲會對調(diào)制精度帶來不良影響。這種失衡通常與基帶I與Q信號的PCB布局以及不同的印刷線路長度有關(guān)。星座圖點(diǎn)將再次顯示出失真，但群延遲差異的影響取決于頻率,對每個OFDM 副載波的影響也不同。

相位噪聲
當(dāng)信號與本振(LO)信號混合并從基帶頻率轉(zhuǎn)換為RF頻率時，相位噪聲會進(jìn)入到信號中。LO相位噪聲分配反映了頻率合成器使用的參考晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定性、合成器鎖相環(huán)(PLL)使用的壓控振蕩器(VCO)的頻率穩(wěn)定性以及頻率合成器使用的PLL的環(huán)路帶寬。PLL對于晶體振蕩器來說是低通濾波器，對于自激VCO來說是高通濾波器。根據(jù)PLL的環(huán)路帶寬，理想的合成器輸出相位噪聲頻譜密度由以下因素決定：低頻偏移下較好的晶體振蕩器長期穩(wěn)定性；高頻偏移下較好的VCO短期穩(wěn)定性；帶內(nèi)PLL自身鑒相器與分頻器所產(chǎn)生的帶內(nèi)噪聲為基底。
相位噪聲影響調(diào)制精度，與其它減損一樣，也會影響到EVM。在本例中，最終的EVM約為-25dB。數(shù)據(jù)速率較低時，符號時間內(nèi)的積分消除了短期頻率不穩(wěn)定性的最壞影響，剩下的只有晶體振蕩器的長期穩(wěn)定性的影響。對于802.11a/g 在最高數(shù)據(jù)速率下使用的OFDM信號，通過在接收機(jī)上使用導(dǎo)頻信號來跟蹤信號的相位變化，可以減輕相位噪聲的影響。只要相位變化相對于符號速率來說比較慢，就可以對信號的相位變化進(jìn)行跟蹤與補(bǔ)償。 
應(yīng)該去除過多的相位噪聲，因?yàn)檫^多的相位噪聲可能是出現(xiàn)各種問題的征兆，比如晶體振蕩器的噪聲、電源噪聲產(chǎn)生的寄生信號或者電路板屏蔽不充分、送入頻率合成器或混頻器中的參考晶體振蕩器信號電平不正確或者其它設(shè)計(jì)或生產(chǎn)問題。將過多的相位噪聲確定為不良EVM成因的最佳途徑就是檢查相位噪聲的能譜密度(PSD)。某些具有VSA能力的單機(jī)測試器，如LitePoint的IQview 可以對WLAN調(diào)制信號進(jìn)行相位噪聲分析。

寄生信號與瞬態(tài)效應(yīng)
在802.11a/b/g設(shè)計(jì)適合于大量生產(chǎn)之前，實(shí)現(xiàn)過程不允許存在會對發(fā)射機(jī)性能產(chǎn)生不良影響的寄生信號與瞬態(tài)效應(yīng)。如前所述，參考晶體振蕩器與頻率合成器VCO對電源噪聲、DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)噪聲或未屏蔽信號特別敏感。這種寄生信號與晶體振蕩器或VCO之間的耦合會引入相位噪聲，從而降低發(fā)射信號的質(zhì)量。
要隔離或確定會降低發(fā)射機(jī)性能的瞬態(tài)效應(yīng)是非常困難的。比如，RF功率放大器在有WLAN脈沖通信時打開,而沒有通信時關(guān)閉以最大限度降低功耗。當(dāng)功率放大器在脈沖來臨之前啟動時，功率放大器將產(chǎn)生較大的電流并可能導(dǎo)致電源產(chǎn)生電壓降或引起接地電流。除非電路板的其它部分完全消除這些影響，否則它們會影響晶體振蕩器或頻率合成器，引入瞬態(tài)頻率誤差與相位噪聲而瞬時降低發(fā)射信號的質(zhì)量。功率放大器通電所產(chǎn)生的這種頻率推移以及振蕩器對電源電壓的敏感性會因其持續(xù)時間的長短而帶來不同的影響。
802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)需要首先發(fā)射短或長同步碼(preamble)，短同步碼的持續(xù)時間為72ms，長同步碼的持續(xù)時間為144ms。與此相對，802.11a/g 標(biāo)準(zhǔn)需要先發(fā)射10個重復(fù)的總計(jì)8ms 的短訓(xùn)練序列(short training sequence)，后跟2個重復(fù)的總計(jì)另外8ms 的長訓(xùn)練序列(long training sequence)。緩慢穩(wěn)定的瞬態(tài)頻率誤差會破壞802.11a/g 信號，甚至對802.11b/g 支持的低數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生不良影響。如果一個特殊的接收機(jī)設(shè)計(jì)對發(fā)射頻率的估算是建立在前幾微秒同步碼的基礎(chǔ)上的話，則快速穩(wěn)定的發(fā)射頻率誤差也會影響性能。但要了解是否發(fā)生這種瞬態(tài)響應(yīng)是很困難的，在設(shè)計(jì)過程的所有階段檢查信號的頻率誤差與時間關(guān)系的曲線時也許并未發(fā)生瞬態(tài)響應(yīng)。某些測試儀器，如IQview 允許根據(jù)短訓(xùn)練序列、長訓(xùn)練序列或全數(shù)據(jù)包的頻率估算量計(jì)算OFDM 信號的EVM(如果最終的EVM值變化較大)，因而這也是發(fā)射頻率可能受到瞬態(tài)誤差影響的因素。

信號飽和的影響
要將功耗降至最低并以最高的效率進(jìn)行操作，RF功率放大器應(yīng)在接近其飽和點(diǎn)的理想狀態(tài)下進(jìn)行操作。但除非功率放大器的平均輸出功率減小(偏離滿功率)，否則不同的調(diào)制類型仍會將放大器推入其飽和區(qū)域并使信號飽和。與放大器飽和相關(guān)的非線性隨后會導(dǎo)致諧波失真、互調(diào)失真與頻譜再生、交叉調(diào)制、SNR惡化以及調(diào)制不準(zhǔn)確。信號飽和的程度反映了功耗與信號質(zhì)量之間的折衷，也直接影響了產(chǎn)品成本與質(zhì)量。如果飽和程度過大，則會降低發(fā)射信號質(zhì)量，如果飽和程度過小，則可能需要更昂貴的RF功率放大器以達(dá)到所需的平均輸出功率。
802.11b/g采用的單載波M維移相鍵控(M-ary PSK)信號通常可在壓縮的狀態(tài)下進(jìn)行操作，直到頻譜再生引入鄰信道干擾或超出了要求的頻譜模板。利用頻譜分析儀測量RF輸出頻譜可以快速地揭示這種效應(yīng)。對于這種信號，壓縮通常不會影響EVM到超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值或顯著影響B(tài)ER性能的程度。
但802.11a/g采用的多載波OFDM信號通常需要放大器更大程度地偏離滿功率，因?yàn)樗鼈冎g的峰值-平均功率比(PAPR)很高。功率放大器的操作點(diǎn)必須減少，以確保OFDM 信號的輸入電壓漂移不會使放大器進(jìn)入飽和區(qū)域引起互調(diào)與頻譜再生效應(yīng)，以免對OFDM 信號的52個副載波帶來不良影響。
注意，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：低于-25dB 的發(fā)射機(jī)EVM支持54Mbps，低于-22dB的發(fā)射機(jī)EVM支持48Mbps 。
利用IQview 提供的信號分析軟件計(jì)算發(fā)射輸出功率的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)可以很容易地評估壓縮程度。在對測量信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理之后，CCDF曲線提供信號處于或高于指定功率電平(用相對于平均功率的dB表示)的概率估算值。
為了優(yōu)化功耗，還需要進(jìn)行某種程度的壓縮。假設(shè)導(dǎo)致調(diào)制不準(zhǔn)確的所有其它原因已得到緩和，則可以校準(zhǔn)發(fā)射功率電平以使測量的EVM值處在允許的容值范圍內(nèi)。這基本上是要執(zhí)行的最后一個生產(chǎn)線校準(zhǔn)步驟。因此，可快速測量所有802.11a/b/g信號EVM的單儀器測試設(shè)備，如IQview 就變得非常有用，特別是當(dāng)將其用作PC控制的生產(chǎn)測試套件的組成部分時，可在基帶芯片組和RF部分自動設(shè)定合適的控制和電平以將其輸出功率校準(zhǔn)為最佳值。

結(jié)語
VSA、頻譜分析儀、功率表的能力與先進(jìn)的信號分析軟件組合可以簡化802.11a/b/g WLAN發(fā)射機(jī)的優(yōu)化過程。無論是用作設(shè)計(jì)過程的組成部分，還是在生產(chǎn)車間使用，在時域、頻域以及調(diào)制域中快速評估EVM與其它測量指標(biāo)的能力可縮短設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效益，并直接改善總體產(chǎn)品質(zhì)量與收益率。■