Wi-Fi产品射频电路EVM降低原因及测试方法

802.11/a/b/g /nWLAN发射机的性能会直接影响产品质量。在当今WLAN产品市场空间拥挤、利润微薄的情况下,提高质量无疑会使产品更具特色并增加其销售量,还能减少退货并提高生产效益以及收益率。但是,发射机的性能很容易受到RF部分的设计选择、电路板布局及其实现方式、元件的变化及更替等因素的影响,并且会由于802.11a/b/g/n标准所要求的调制类型和频带的不同而变得更加复杂。

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

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。

 

典型的发射机减损

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/Q失衡

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