通过激励响应测量表征射频器件的三个步骤

在当今的无线系统中，频谱是一种十分有限的资源。复合调制方案可以提高频谱效率，但它们也会引起失真。表征射频器件需要对失真产物导致的多余非线性失真进行测试，这些失真产物会降低调制质量并对其他接收机造成干扰。

激励响应测量为评测射频器件性能提供了一种非常简单的方法。他们需要输入激励测试信号，然后采集输出信号进行详细分析。您可以评定和分析输入信号与输出信号之间的差异，确定造成这种差异的原因。在本文中，我们将介绍常用的激励响应测量方法，并探讨如何使用这些方法来表征射频设计以及诊断设计问题。

第 1 步. 表征数字调制信号

调制信号变得越来越复杂，导致峰均功率比升高，并产生非线性失真。为了从复杂的信号中提取出有用的功率相关信息，您需要对功率电平进行统计分析。

功率互补累积分布函数（CCDF）曲线能够表征较大功率的信号，并提供峰均功率比（PAPR）等关键信息。您可以使用 PAPR 来评测功率放大器（PA）和发射机的非线性特性。

评测波形设计

当您使用信号发生器仿真数字调制信号时，需要保证信号发生器不会使输出信号饱和。您可以使用信号发生器的 CCDF 绘图功能来显示信号波形的功率分布曲线。下面的图 1 显示了一个 64-QAM 调制信号，其符号速率为 10 MHz。

图 1. 由 Keysight 矢量信号发生器的波形实用程序所生成的 CCDF 图

如果信号发生器的输出功率饱和，那么不仅会影响输出功率电平精度，还会由于 AM 至 AM 压缩而影响调制质量。信号发生器上的幅度电平设置不能大于信号发生器最大输出功率与仿真信号 PAPR 值的差。

执行 CCDF 测量

将数字调制信号输入到被测器件时，您需要使用信号分析仪对比输入功率与输出功率的 CCDF 图，查看原始设计中是否存在削波现象。图 2 显示了射频功率放大器的功率 CCDF 图。粉色迹线是输入信号的功率 CCDF 图，黄色迹线是放大器输出信号的功率 CCDF 图。可以看出，输出功率的 CCDF 图与输入信号没有对齐。您需要降低输入功率电平或重新设计功率放大器，才能将功率放大器在较高输出电平下的失真控制到最低。

图 2. Keysight 信号分析仪的功率 CCDF 测量结果

第 2 步. 执行失真测量

在当今的无线通信系统中，为了实现优异的频谱效率，频率信道的间隔非常小。狭窄的频率信道间隔和宽带通信系统都要求对多余和非线性的频谱失真进行严格测试。失真产物可能是信道内、频段内和频段外出现的多余频谱信号。失真不仅会降低发射机的性能，还会对其他接收机造成干扰。非线性失真测量主要有两种类型：谐波失真和互调失真。

谐波失真

电路或器件的幅度传递特性不能精确跟踪输入信号。幅度偏移会在输入信号的整数倍频处产生更高的频率分量。

测量谐波失真最直接方法是使用连续波（CW）音频作为输入信号，然后使用信号分析仪测量输出信号，参见图 3。被测器件可以是射频放大器或混频器。

提示：应使用谐波失真小的信号发生器，并在信号发生器和被测器件之间放入一个低通滤波器（LPF），以确保测得的谐波来自被测器件，而不是来自信号发生器。

图 3. 谐波失真测量装置

信号分析仪设置为零扫宽，这样就能够进行时域功率测量，以测量基频和谐波频率处的功率电平，见图 4 右侧。如需进行高阶谐波测量，您可以选择动态范围更高的信号分析仪。

图 4. 使用 Keysight 信号分析仪进行谐波测量

三阶互调失真

双音频三阶互调（TOI）失真是射频失真测量中的一项常见测试。如果非线性系统中存在两个或多个信号，它们会相互干扰，并在原始频率的和与差以及原始频率倍频的和与差处产生额外的分量。下面的图 5 显示了双音频三阶互调测量装置。被测器件可能是一个放大器或混频器。

图 5. 双音频互调失真测量装置

F1（低音）和 F2（高音）是分别来自两个信号发生器的两个测试音的频率。注入到系统中的 两个音频必须不受三阶产物的干扰。这个三阶失真产物出现在 2F1-F2 和 2F2-F1 频率处（红色标记），它是距离两个原始测试音频最近的失真。依靠滤波很难去除最接近的失真产物。在通信系统中，失真产物可能会干扰相邻信道的信号。

TOI 电平的定义：

图 6 显示了使用信号分析仪进行 TOI 测量的结果。这两个测试音频的频率分别为 995 MHz 和 1005 MHz。三阶互调产物出现在 985 MHz 和 1015 MHz 频率处，TOI 测量结果为 31.7 dBm （低）和 32.2 dBm（高）。

图 6. 使用 Keysight 信号分析仪进行 TOI 测量

对于生产测试，可以单独使用矢量信号发生器通过其中内置的基带信号发生器来生成两个测试音频，以节省成本。是德科技提供先进的校正例程，该例程可以抑制信号发生器自身或外部前置放大器产生的失真产物。

邻道功率（ACP）测量

最新的无线标准通常使用更宽的带宽和多载波技术来提高数据吞吐量。双音频三阶互调技术无法全面表征宽带宽元器件的特性。数字调制同时使用幅度和相移，因此会产生一定的失真，也称为频谱再生。图 7 显示了数字调制信号的频谱再生（红色曲线）。

图 7. 互调引起的频谱再生

像 TOI 一样，频谱再生也会干扰相邻信道，并将能量扩散到主信道之外。ACP 测量描述了调制信号中的功率与发射到上、下相邻信道中的功率之比。ACP 测量为频谱再生和发射提供了重要信息，您可以根据这些信息表征发射机设计，如基带滤波器和非线性失真。图 8 显示了 3.84 MHz 信道带宽的 W-CDMA 信号的 ACP 测量结果。

图 8. 使用 Keysight 信号分析仪得到的 ACP 测量结果

第 3 步. 分析和解决调制质量问题

理想发射机输出的数字调制信号在理想位置处会有星座点。但是，相位噪声、系统噪声、失真和调制器衰减等各种缺陷会导致星座点偏离理想位置，致使通信链路性能下降。

您可以使用误差矢量幅度（EVM）测量来量化评测数字调制信号的性能，这种方法可以测量星座点偏离理想点的距离。

误差矢量幅度 EVM 的定义

EVM 是误差矢量计算结果的均方根（RMS），表示为 EVM 归一化参考值的百分比。误差矢量（红色箭头）起始于 I/Q 参考信号矢量（绿色箭头）的检测点，一直到图 9 中出现的 I/Q 测得的信号矢量（黑色箭头）。

图 9. 误差矢量图

发射机设计的问题诊断

想要实现成功的设计，您必须能够评测信号并推断问题的根源。通过矢量信号分析，您可以解调数字调制信号并检查各种误差指标，如 EVM、I/Q 偏移、相位误差和频率误差。您还可以进一步分析并验证导致错误的根本原因。通过激励/响应测试对子系统或元器件进行分析，诊断设计中存在的问题。

为了便于您理解，我们用 CCDF 测量中的射频功率放大器测试（图 2）来进行说明。输出信号（黄色迹线）在较高峰均比时出现失真。您可以执行矢量信号分析并分别解调输入和输出信号。图 10 和图 11 为输入信号和输出信号的解调分析结果。EVM 值从 0.48%（输入信号）增加到 1.07%（输出信号）。通过观察图 11 中的星座图（左上）您会发现，外部星座点被压缩（略微移向中心）。外部点的输出功率电平较高，而压缩是由射频功率放大器中的饱和输出功率造成的。

图 10. 解调功率放大器的输入信号

图 11. 解调功率放大器的输出信号

表征设计并进行问题诊断的 3 个步骤

为了更好地了解被测器件的性能，您可以按照以下三个步骤对设计进行表征和问题诊断。

1. 表征数字调制信号。您需要了解仿真波形的功率特征，以便将正确的幅度电平应用到信号发生器上。现在，您可以测量并比较输入和输出信号的 CCDF 曲线，看看被测器件的输出是否受到了压缩。

2. 进行失真测量。通过谐波失真、TOI 失真和 ACPR 测量来查看失真对频谱的影响。

3. 对调制信号进行解调和问题诊断。您可以对设计进行解调分析和问题诊断。

为了充分表征射频元器件，您需要了解仿真输入信号和测得输出信号的功率特征。执行激励响应测试，例如 CCDF、谐波、TOI、ACP 和 EVM，以便了解射频元器件在不同条件下的性能，从而为设计选择最佳的折衷方案。执行这三个步骤可以确保您做出可靠的设计选择，创造出卓越的产品。