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  • 發布時間:2020-10-26 22:10 原文鏈接: 工程師操作指南:RF指標的內在和意義(二)

    6、SEM (Spectrum Emission Mask) 

    講 SEM 的時候,首先要注意它是一個“帶內指標”,與 spurious emission 區分開來,后者在廣義上是包含了 SEM 的,但是著重看的其實是發射機工作頻段之外的頻譜泄漏,其引入也更多的是從 EMC(電磁兼容)的角度。 

     

    SEM 是提供一個“頻譜模版”,然后在測量發射機帶內頻譜泄漏的時候,看有沒有超出模版限值的點。可以說它與 ACLR 有關系,但是又不相同:ACLR 是考慮泄漏到鄰近信道中的平均功率,所以它以信道帶寬為測量帶寬,它體現的是發射機在鄰近信道內的“噪聲底”;SEM 反映的是以較小的測量帶寬(往往 100kHz 到 1MHz)捕捉在鄰近頻段內的超標點,體現的是“以噪聲底為基礎的雜散發射”。 

     

    如果用頻譜儀掃描 SEM,可以看到鄰信道上的雜散點會普遍的高出 ACLR 均值,所以如果 ACLR 指標本身沒有余量,SEM 就很容易超標。反之 SEM 超標并不一定意味著 ACLR 不良,有一種常見的現象就是有 LO 的雜散或者某個時鐘與 LO 調制分量(往往帶寬很窄,類似點頻)串入發射機鏈路,這時候即便 ACLR 很好,SEM 也可能超標。 

     

    7、EVM(誤差矢量) 

    首先,EVM 是一個矢量值,也就是說它有幅度和角度,它衡量的是“實際信號與理想信號的誤差”,這個量度可以有效的表達發射信號的“質量”——實際信號的點距離理想信號越遠,誤差就越大,EVM 的模值就越大。 

     

    在(一)中我們曾經解釋過為什么發射信號的信噪比不是那么重要,原因有二:第一是發射信號的 SNR 往往遠遠高于接收機解調所需要的 SNR;第二是我們計算接收靈敏度時參考的是接收機最惡劣的情況,即在經過大幅度空間衰落之后,發射機噪聲早已淹沒在自然噪聲底之下,而有用信號也被衰減到接收機的解調門限附近。 

     

    但是發射機的“固有信噪比”在某些情況下是需要被考慮的,譬如近距離無線通信,典型的如 802.11 系列。 

     

    802.11 系列演進到 802.11ac 的時候,已經引入了 256QAM 的調制,對于接收機而言,即便不考慮空間衰落,光是解調這樣高階的正交調制信號就已經需要很高的信噪比,EVM 越差,SNR 就越差,解調難度就越高。 

     

    做 802.11 系統的工程師,往往用 EVM 來衡量 Tx 線性度;而做 3GPP 系統的工程師,則喜歡用 ACLR/ACPR/Spectrum 來衡量 Tx 線性性能。 

     

    從起源上講,3GPP 是蜂窩通信的演進道路,從一開始就不得不關注鄰信道、隔信道(adjacent channel, alternative channel)的干擾。換句話說,干擾是影響蜂窩通信速率的第一大障礙,所以 3GPP 在演進的過程中,總是以“干擾最小化”為目標的:GSM 時代的跳頻,UMTS 時代的擴頻,LTE 時代 RB 概念的引入,都是如此。 

     

    而 802.11 系統是固定無線接入的演進,它是秉承 TCP/IP 協議精神而來,以“盡最大能力的服務”為目標,802.11 中經常會有時分或者跳頻的手段來實現多用戶共存,而布網則比較靈活(畢竟以局域網為主),信道寬度也靈活可變。總的來說它對干擾并不敏感(或者說容忍度比較高)。 

     

    通俗的講,就是蜂窩通信的起源是打電話,打不通電話用戶會去電信局砸場子;802.11 的起源是局域網,網絡不好大概率是先耐著性子等等(其實這時候設備是在作糾錯和重傳)。 

     

    這就決定了 3GPP 系列必然以 ACLR/ACPR 一類“頻譜再生”性能為指標,而 802.11 系列則可以以犧牲速率來適應網絡環境。

     

    具體說來,“以犧牲速率來適應網絡環境”,就是指的 802.11 系列中以不同的調制階數來應對傳播條件:當接收機發現信號差,就立即通知對面的發射機降低調制階數,反之亦然。前面提到過,802.11 系統中 SNR 與 EVM 相關很大,很大程度上 EVM 降低可以提高 SNR。這樣我們就有兩種途徑改善接收性能:一是降低調制階數,從而降低解調門限;二是降低發射機 EVM,使得信號 SNR 提高。 

     

    因為 EVM 與接收機解調效果密切相關,所以 802.11 系統中以 EVM 來衡量發射機性能(類似的,3GPP 定義的蜂窩系統中,ACPR/ACLR 是主要影響網絡性能的指標);又因為發射機對 EVM 的惡化主要因為非線性引起(譬如 PA 的 AM-AM 失真),所以 EVM 通常作為衡量發射機線性性能的標志。

     

    7.1、EVM 與 ACPR/ACLR 的關系 

    很難定義 EVM 與 ACPR/ACLR 的定量關系,從放大器的非線性來看,EVM 與 ACPR/ACLR 應該是正相關的:放大器的 AM-AM、AM-PM 失真會擴大 EVM,同時也是 ACPR/ACLR 的主要來源。 

     

    但是 EVM 與 ACPR/ACLR 并不總是正相關,我們這里可以找到一個很典型的例子:數字中頻中常用的 Clipping,即削峰。Clipping 是削減發射信號的峰均比(PAR),峰值功率降低有助于降低通過 PA 之后的 ACPR/ACLR;但是 Clipping 同時會損害 EVM,因為無論是限幅(加窗)還是用濾波器方法,都會對信號波形產生損傷,因而增大 EVM。 

     

    7.2、PAR 的源流 

    PAR(信號峰均比)通常用 CCDF 這樣一個統計函數來表示,其曲線表示的是信號的功率(幅度)值和其對應的出現概率。譬如某個信號的平均功率是 10dBm,它出現超過 15dBm 功率的統計概率是 0.01%,我們可以認為它的 PAR 是 5dB。 

     

    PAR 是現代通信系統中發射機頻譜再生(諸如 ACLP/ACPR/Modulation Spectrum)的重要影響因素。峰值功率會將放大器推入非線性區從而產生失真,往往峰值功率越高、非線性越強。 

     

    在 GSM 時代,因為 GMSK 調制的衡包絡特性,所以 PAR=0,我們在設計 GSM 功放的時候經常把它推到 P1dB,以得到最大限度的效率。引入 EDGE 之后,8PSK 調制不再是衡包絡,因此我們往往將功放的平均輸出功率推到 P1dB 以下 3dB 左右,因為 8PSK 信號的 PAR 是 3.21dB。 

     

    UMTS 時代,無論 WCDMA 還是 CDMA,峰均比都比 EDGE 大得多。原因是碼分多址系統中信號的相關性:當多個碼道的信號在時域上疊加時,可能出現相位相同的情況,此時功率就會呈現峰值。 

     

    LTE 的峰均比則是源自 RB 的突發性。OFDM 調制是基于將多用戶/多業務數據在時域上和頻域上都分塊的原理,這樣就可能在某一“時間塊”上出現大功率。LTE 上行發射用 SC-FDMA,先用 DFT 將時域信號擴展到頻域上,等于“平滑”掉了時域上的突發性,從而降低了 PAR。


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