通過誤差向量分析優化接收機性能

2021-01-10 電子產品世界

　　誤差向量分析是一種用幅度誤差和相位誤差定量表示發射機或接收機性能的方法。通過採用具有誤差向量分析功能的向量信號分析儀，工程師可以在線研究信號空間的幅度值和相位誤差，同時可以調整接收機鏈路參數。

　　為了調整接收機參數以獲得最佳性能，有必要將給定接收機與理想接收機作性能比較，比較的方法有多種。誤碼率(BER)性能測試儀通常用來測量不同輸入信噪比(SNR)條件下的誤碼率，但這種測量方法需要發送、接收和比較很長的位序列，從而耗費很長的時間。一種較快速的方法能夠監測較短位序列的誤差向量，這可以用具有誤差向量分析功能的現代向量信號分析儀(VSA)完成。這種方法允許工程師在線研究信號空間的幅度值和相位誤差，同時可以調整接收機鏈路參數，例如中間級匹配電路、級聯增益和衰減的分布以及濾波器選擇。

　　

　　誤差向量分析

　　誤差向量分析是一種用幅度誤差和相位誤差定量表示發射機或接收機性能的方法。一般情況下，任何數字調製都可以用一個信號波形z(t)=A(t)cos(wct+Q(t))描述，其中A(t)表示瞬時幅度變量，Q(t)表示瞬時相位變量。一般情況下，將基帶數據分解成I向量和Q向量，再用正交調製器或直接合成將其調製成期望的載波角頻率wc。得到的複合調製波形包含正交的I和Q數據，這一結果可以在載波頻率上進行分析，也可以將其解調到基帶直接分析I、Q基帶向量。全球有幾家設備製造商提供具有上述功能的VSA。

　　VSA測量每個發送符號的幅度和相位，具有誤差向量分析功能的VSA計算被測向量與最靠近理想星座點之間的誤差向量。首先，必須向VSA提供適當的波形參數，例如符號率、脈衝整形濾波器參數和調製方式。如果誤差向量幅度(EVM)過大，致使VSA不能正確估計預期的符號向量，得到的結果誤差很大並且不可靠。特別是在非常密集的調製方式中，例如高階QAM調製。如果要對過多的被破壞信號進行調試時，誤差向量幾乎不能提供信息。在大多數情況下，向量分析用於優化性能而不是用於校驗功能，因此對於數值很高但精度很低的EVM通常是可以接受的。誤差向量分析作為一種優化現有功能設計的工具是非常有用的，而不是調試工具。

　　在時間採樣系統中，EVM可由下式定義：

　　

　　

　　(1)

　　其中Z(k)是複合接收信號向量，由I和Q分量組成；R(k)是理想的複合參考向量。誤差向量幅度是誤差向量功率有效值和參考向量功率有效值的比值，用於度量接收機的性能，與SNR和BER密切相關。對於任何編碼增益，EVM都與SNR的平方根成正比，如公式2所示(其中L為編碼增益)。

　　

　　

　　(2)

　　當使用偽隨機序列對原始基帶數據進行擴展時(例如在CDMA擴頻系統中使用的偽隨機序列),編碼增益會起作用。這類系統中的編碼增益是碼片率與基帶數據速率的比值。例如，UMTS收發機以3.84Mchips/s的碼片率發送一個12.2kbps的數據流，得到的編碼增益為3.84×106/12.2×103=314.75，或者表示為25dB。

　　為了將EVM和BER聯繫起來，有必要確定SNR與給定調製方式下符號錯誤概率的關係式。對於QAM調製，符號錯誤的概率可由下式表示：

　　

　　

　　(3)

　　其中 M為調製階數(例如對於64QAM, M=64)；rb是每位的平均SNR；k是每符號的位數(例如對於64QAM，每個複合符號為6位)。

　　利用公式2和3可以求出不同SNR對應的誤符號率(SER)和EVM，SER和SNR的關係曲線如圖1a所示，這裡提供了不同階數QAM調製方式對應的典型曲線。對於相同調製方式的SER和EVM的關係曲線如圖1b所示，這使得設計工程師能夠使用誤差向量分析方法預測給定接收機的BER性能。例如，如果對於未編碼的256QAM調製方式，測得EVM為3%，那麼預測SER應該為600ppm。換句話說，平均每10,000個符號序列中預期會有6個錯誤符號，相應在1百萬位序列中有75位誤碼，即BER為7.5×10-5。

　　

　　

　　圖1：a)未編碼的16QAM、64QAM和256QAM調製方式的符號錯誤理論概率值與SNR的關係曲線。b)相應符號錯誤概率與EVM測量值的關係曲線。

　　設計工程師利用圖1a和1b中的數據以及適當的VSA可以實時優化性能。在觀察EVM性能的同時，濾波器選擇、中間級匹配電路和轉換增益等參數都可以進行調整，使設計工程師能夠快速優化他們的信號鏈路。下面的例子通過用誤碼向量分析方法定量地分析一個接收機子系統性能，證明這種方法的優勢。

　　實際的測量與應用

　　圖2給出了正交解調器和高精度有效值功率檢測器，它們構成一種閉環自動電平控制(ALC)中頻(IF)到基帶接收機子系統。AD8348提供50MHz～1GHz的高精度正交解調，本地振蕩器(LO)頻率為期望載波的兩倍，內置LO分頻器允許採用採用LO，這樣可以緩解全雙工收發機存在的LO頻率牽引(LO-pulling)問題。在本例中，IF輸入頻率為190MHz，採用了一個－10dBm@380MHz的LO驅動電路。集成的前端可變增益放大器(VGA)由一個電阻式可變衰減器和高截取點(intercept-point)後置放大器組成，用於提供可變轉換增益，同時保持恆定的無雜散動態範圍。AD8362是高精度射頻(RF)功率測量器件，能夠測量從任意低頻到2.7 GHz範圍內的信號功率有效值。AD8362對不同波峰因數波形不敏感，因此是測量數字調製信號功率真實有效值的理想解決方案。

　　

　　

　　圖2：AD8348正交解調器與AD8362 TruPwr檢測器相結合，提供高精度中頻到基帶接收機子系統的自動電平控制。

　　圖2所示電路用於測量I通道基帶信號的功率有效值。假設I向量和Q向量都是偽隨機的，這一假設對於大多數數字調製方式都是合理的，那麼可以任意選擇I通道或Q通道檢測。內部誤差放大器通過測量基帶功率有效值，生成一個控制信號用於驅動正交解調器的增益控制埠。通過閉環形式自適應地調節解調器的轉換增益，以保持恆定的基帶有效功率電平，與波形無關。通過對VSET引腳採用適當的設定點控制電壓來設置輸出電平。誤差向量分析用於找出最佳ALC輸出設定值，並確定適合256QAM 1Msps數字調製的濾波器。

　　解調器為低通濾波器應用提供一個單端接口。在I和Q通道都使用4階貝塞爾(Bessel)濾波器，以使寬帶噪聲最小化，並幫助濾除無用的鄰頻信號。選用貝塞爾濾波器是因為它有很低的群延時特性，這對於保證低的碼間串擾是必需的。最初曾測試過巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器，但是由於它們的通帶群延時較大，導致EVM性能變壞。採用經典的方法很難測量出不同濾波器選擇造成的接收機性能的細微差異。VSA可以快速測量性能，從而可以在短時間內優化濾波器網絡。

　　使用RohdeSchwarz公司的FSQ8向量信號分析儀測量基帶EVM。在觀察EVM的同時，可以調節設定點控制電壓以確定最佳設置。如圖3所示，選擇合適的設定點電壓在大於40dB的輸入範圍內可使EVM優於2%。解調器的可變轉換增益允許接收機設計在比固定增益解調器寬的動態範圍內具有最佳的BER特性。

　　

　　

　　圖3：符號率為1Msps、256QAM條件下誤差向量幅度(EVM)與輸入功率關係曲線。

　　通過測量期望輸入信號範圍內的EVM值，可以很容易地估算出SER性能。將測量到的EVM數據與圖1曲線結合使用，可以預測接收機的動態性能。對於256QAM調製，EVM必須優於2%左右以保證SER小於10-6。對IF到基帶接收機子系統的測量結果表明，在SER惡化到不能接受的程度之前，接收機允許輸入功率變化範圍超過40dB。對於信號鏈優化和動態性能預測，EVM分析是一個有效的工具。

　　參考文獻：

　　"Digital Communications, 2nd Edition", John G. Proakis, McGraw-Hill Inc. 1989 "Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); UTRA (BS) FDD; Radio transmission and reception (3GPP TS 25.104 version 4.7.0 Release 4)", ETSI TS 125 104 V4.7.0, 2003 "Principles of Communication Systems, 2nd Edition", Herbert Taub and Donald L. Schilling, McGraw-Hill Inc. 1986

　　作者：Eric Newman

　　高級應用工程師

　　美國模擬器件公司

相關焦點

  • 以雷射向量技術進行三維空間定位誤差測量與補償
    簡介 CNC工具機可由包含直線位移誤差、直線度誤差、角度誤差及彈性誤差的空間定位準確度來測得CNC工具機的性能或準確度。然而這些誤差的測量相當複雜且耗時，針對這些原因，一些國際標準如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對角線位移測量來作空間性能的快速檢驗，這是因為體對角線對於所有的誤差組成相當靈敏，因此當誤差超過規範，就沒有足夠的資料能夠來鑑別誤差源及作補償。
  • 多通道RF接收機測量噪聲係數的新方法
    這种放大器開關測量法優化了Y因子測量噪聲係數法，使得測量較為精確且容易進行。1、優化測量噪聲係數的原理射頻接收機的噪聲主要包括電阻的熱噪聲和PN結的散彈噪聲，均屬於白噪聲的範疇。白噪聲不包括任何離散成分，其電平符合高斯分布。功率譜在一定的頻率範圍為均勻分布。噪聲係數是表徵線性二埠網絡或二埠變換器系統噪聲特性的一個重要參數。
  • 影響GPS觀測精度的主要誤差總結分析
    對於衛星鐘的這種偏差，一般可由衛星的主控站，通過對衛星鐘運行狀態的連續監測確定，並通過衛星的導航電文提供給接收機。經鐘差改正後，各衛星之間的同步差，即可保持在20ns以內。在相對定位中，衛星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。2.
  • 【GPS測量】GPS測量誤差來源分析
    與接收機有關的誤差包括接收機鍾誤差、接收機安置誤差、天線相位中心位置誤差以及幾何圖形強度誤差等。1、接收機鍾誤差GPS接收機內時標一般採用石英晶體振蕩器，其穩定度約為0.000001。若採用恆溫晶體振蕩器，其穩定度可達到0.000000001.假設接收機鍾與衛星鐘間的同步差為1μm，則由此引起的等效距離誤差約為300m。
  • 接收機的中頻處理技術
    從實際設計來說，射頻模塊儘量簡化，將信號通過ADC轉換為數位訊號進行處理，提高接收機的穩定性、通用性並降低實現成本。在接收機中，最常用的是頻譜分析和信號分析功能，本文以現場可編程邏輯器件(FPGA)為設計基礎，簡述頻譜分析和信號分析的中頻處理。
  • GPS接收機探城市「脈絡」誤差在毫米
    GPS接收機可精確到毫米不管是自來水管道、暖氣管道，還是燃氣管道，只要你是金屬材質的，均可「摸黑」檢測，誤差只在毫米之間。7月22日，記者來到濟南港華燃氣有限公司的檔案室，為您解開所有金屬材質的地下管線的檔案密碼。[圖紙歸檔] 每套檔案有3份，5000餘套分區域碼齊　　走進濟南港華燃氣有限公司的檔案室，你會懷疑自己走進了圖書館中的一間閱覽室。
  • 科普丨了解一下GPS定位中的誤差源及削弱方法
    多路徑誤差取決於測站周圍的環境、接收機的性能以及觀測時間的長短，所以要消除多路徑誤差，就需要買一個性能好的RTK，在周圍環境開闊、無水面的地方測量。接收機的鐘誤差誤差解釋：與衛星鐘一樣，接收機鍾也有誤差。
  • 雷達原理-雷達接收機
    接收機前端主要包括接收機保護器射頻放大器，射頻濾波器和混頻器。採用頻率合成器的雷達又稱為全相參雷達。本地振蕩器是雷達接收機的重要組成部分，在非相參雷達中，本振是一個自由振蕩器，通過自動頻率控制（AFC）電容將本振的頻率f2自動調諧到接受射頻信號所要求的頻率上。靈敏時間控制和自動增益控制是雷達接收機抗過載、擴展動態範圍和保持接收機增益穩定的重要措施。
  • 誤差源和方程解算——周跳修復
    55.周跳修復周跳是接收機對衛星信號連續鎖相的不連續（間斷），見圖1所示。功率損耗、極低信噪比（SNR），接收機軟體故障或衛星振蕩器故障都可能導致周跳。電離層變化劇烈環境也可能造成周跳。然而，最常見是建築物和樹木等障礙物，這些非中空障礙物致使接收機無法跟蹤GPS衛星信號。
  • 多極旋轉變壓器誤差計算的分析
    打開APP 多極旋轉變壓器誤差計算的分析 佚名 發表於 2009-12-10 08:42:33 多極旋轉變壓器誤差計算的分析
  • GPS機載接收機
    SA-ON：SA-ON GPS接收器假定SA仍處於活動狀態(開啟)，使得GPS定位位置的完好性和精度性能變差。大多數僅符合TSO-C129的GPS接收機是SA-ON接收機。SA-AWARE：SA-AWARE的GPS接收器用以識別SA處於非活動狀態並優化GPS的性能。
  • 數字接收機I/Q支路不平衡的時域補償
    摘 要：為了消除數字接收機同相與正交(I/Q)支路幅度和相位不平衡對數字接收機接收性能的影響，根據時域數據I/Q支路的功率與正交關係，提出了一種I/Q支路不平衡參數估計和補償方法。該方法的估計和補償均在時域進行，可以在計算複雜度、估計時和補償性能三者之間進行折衷；它無需導頻或者訓練序列，可應用於多種制式的單載波和多載波接收機中。
  • 叉吊搬運車橫梁結構系統6σ 穩健優化設計
    為了保證吊裝作業性能，有必要對橫梁結構系統進行優化設計，同時降低製造成本。文獻[1] 運用Ansys Workbench 對叉吊搬運車門架結構進行有限元分析和結構優化研究，實現了輕量化設計，但在優化過程中未考慮設計變量的波動及噪聲因素的影響。文獻[2]結合蒙特卡洛模擬抽樣和遺傳算法，完成了門式啟閉機門架結構的6σ 穩健優化設計，使優化結果可靠度達到0.98。
  • 直接對梯度下手,阿里提出新優化技巧,一行代碼即可改善現有優化器
    以往的研究表明，使用一階和二階統計量（如平均值和方差）在網絡激活或權重向量上執行 Z-score 標準化（如批歸一化 BN 和權重標準化 WS）可以提升訓練性能。已有方法大多基於激活或權重執行，最近阿里達摩院的研究人員另闢蹊徑提出了一種新型優化技術——梯度中心化（gradient centralization，GC），該方法通過中心化梯度向量使其達到零均值，從而直接在梯度上執行。
  • 短波接收機可攜式自動測試平臺設計與實現
    時，需加入射頻信號到接收機射頻口。2.2 音頻採集分析單元音頻信號分析單元完成電平測量、信納德測量、頻率測量和失真度測量的4個主要功能。音頻電平測量、信納德測量和失真度採用相同的信號處理電路，其測量原理如圖5所示，由MCU對音頻信號進行A/D採樣，並通過算法對採樣數據進行分析，得出音頻頻率值、電平值、失真度值與信納德值。
  • GPS模塊的性能指標及常見問題分析
    這兩類信息可以通過串口與GPS接收機進行通信。GPS模塊通過運算與每個衛星的偽距離，採用距離交會法求出接收機的得出經度、緯度、高度和時間修正量這四個參數，特點是點位速度快，但誤差大。初次定位的模塊至少需要4顆衛星參與計算，稱為3D定位，3顆衛星即可實現2D定位，但精度不佳。GPS模塊通過串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇應用。
  • 接收機系統無虛假動態範圍對頻譜監測的影響及應對方法(上)
    摘要：按照北京市無線電監測站現用監測設備實際參數，分析計算了現有監測接收機系統的無虛假響應動態範圍，並介紹其對頻譜監測工作的影響。結合作者實際監測工作經驗及理論分析結果，總結了提高接收機系統無虛假響應動態範圍的方法，探討了折中考慮系統噪聲與線性度性能的工作思路。
  • Unity高級知識點總結:性能優化與圖形渲染進階
    (五) 卡頓的性能優化1、GCAlloc。可能發生GCAlloc的情景。比如實例化資源，new對象。以及gameObject.SetActive、閉包調用、gameObject.name讀寫等等。2、通過Profiler查找熱點是什麼，針對性的進行優化。3、不要頻繁調用activeSelf=true。
  • 詳解射頻放大器與雷達接收機原理及應用
    接收機前端主要包括接收機保護器射頻放大器，射頻濾波器和混頻器。 　　採用頻率合成器的雷達又稱為全相參雷達。 　　本地振蕩器是雷達接收機的重要組成部分，在非相參雷達中，本振是一個自由振蕩器，通過自動頻率控制（AFC）電容將本振的頻率f2 　　自動調諧到接受射頻信號所要求的頻率上。
  • I/Q 調製器中的 EVM 性能優化
    誤差矢量幅度 (EVM) 是數字調製準確度的一種標量測量，對於任何數字調製信號源來說都是一項重要的品質因數。在發送器調製器中實現低 EVM 是很重要，因為一個信號的 EVM 在通過發送 / 接收鏈路的每個組件時都將發生劣化。發送器上變頻轉換器、濾波器、功率放大器、接收器、甚至包括通信通道均會損害信號質量。