矢量信号分析仪的误差分析与不确定度评定

矢量信号分析仪的误差分析与不确定度评定

1矢量信号分析方法数字通信技术是一种高性能、高可靠的通信技术。现在，它被广泛用于实际工程，并将多项数字的比特流加载到高频谱噪声源的频率，以形成高精度、可靠性好、传输效率高的高频信号。而为了获得如此好的信号信息,在工程应用和实际使用中,则需要配合使用性能卓越的射频信号分析系统。矢量信号分析仪就是这样一类高性能信号分析仪器,它能完成时域、频域和调制域的分析,并显示可见的相关波形信息。由于矢量信号分析仪能够处理带矢量的数字调制信号形式(包括幅度和相位),因此,它能简捷地分析数字射频通信中各类复杂的调制模式及其性能,而其最大的特点就是能够处理并测量一种新的参量EVM(误差矢量幅度)。从计量检定的现状看,对于矢量信号分析仪的参量EVM,分析其准确度尚没有业内统一的方法。因此,本项目对数字调制参量特性进行分析后,总结国内外对于误差矢量幅度EVM的参量分析,结合实际计量工作中所遇到的量值问题,研究建立了一套数字通信数字调制设备的校准系统,并对校准系统的数字分析参量EVM的测量结果提出一种新的分析方法,能有效分析并计算该数字参量,将其量值量化,通过计算得到理论EVM值。2有效向量的选取回顾矢量调制的基本内容,就是在实际的数字通信传输中,将数字比特流加载到载波信号中,通过改变载波信号的幅度和相位等信息,在每个数据时钟上传输。在I路与Q路上,载频占据了许多不同的位置,每一个位置,代表了一个特殊数据符号的代码,并且包含了一个或多个数字比特。在实际通信应用中,所采用的调制方式,决定了矢量星座图和它理想的符号的位置,矢量信号分析仪能够准确分析并确定理想状态下的符号的位置,确定信号的幅度和相位,这个值定义为实测值或被测向量,同时,这个值相对应一个理想的参考向量(在同一时域,确定传输数据流的信息,符号始终时间,基带滤波参数等),上述两个向量的差值的模就是我们要讨论的对象误差矢量幅度EVM。如图1所示,误差失量E(n)=参考失量R(n)-被测失量M(n),在我们实际校准时,主要参量是EVM,其测量读数为误差矢量幅度,这个参量是模值,即标量。3测量房屋3.1信号转换模块矢量信号分析仪在解调数字射频信号时,将射频信号转换到中频信号,通过一个基于数字解调器的数字信号处理芯片,对输入的射频信号进行模数转换,测量输入信号的传输比特流,这个过程包括了从载频、数字符号、时钟锁定,到基带滤波等一系列工作。目前,无论是美国Agilent公司的89600S系列信号分析仪还是德国R/S公司的FSQ系列信号分析仪,都能完成各种复杂的数字解调功能。3.2创造一个理想的参考信号,创造一个输入信号的理想的参考信号,是一个编码在3.1提到,矢量信号分析仪将输入的射频信号进行模数转换,得到一系列的数字比特流,接下来的工作,就是对输入信号转换成的数字比特流创造一个输入信号的理想的参考信号。通过功能强大DSP芯片的计算处理,即完成数字化处理,能够得到一个具有良好信噪比、高准确度的参考模拟基带信号,完成信号波形的重塑。3.3sp技术处理重塑信号由于当前现有DSP数字信号处理技术的发展,矢量信号分析仪所使用的DSP技术,能够对重塑的理想的参考信号波形与实际输入波形进行计算比较,进行数据处理得到误差矢量幅度EVM、相位误差、幅度误差以及这些误差的峰值、信噪比、I/Qoffset、AmplDroop等一系列参量。4误差分量幅度的预测要分析误差矢量幅度的影响因素,首先就要了解数字矢量信号产生和数字矢量信号分析的整个过程,了解其中各个环节可能产生对通信质量造成的影响,才能知道误差矢量幅度(EVM)的来源。4.1数字向量信号的准备和分解4.1.1i/q调制技术下面简单叙述一下数字矢量信号产生的原理。射频数字矢量信号采用的核心技术就是I/Q调制技术,通过将需要传输的数字基带信号通过波形转换、ADC转换、电压均衡、滤波、补偿等过程,变换成I路和Q路两路正交的信号,然后通过I/Q正交调制器,进行合成相加,得到射频的数字矢量信号。4.1.2射频信号转换处理解调过程是调制过程的逆过程,在矢量信号分析仪中,要成功解调比特流和恢复调制信息,就要正确解调出符号率和相位、时钟等信息。在实际应用中,一般地,把射频数字矢量信号混频到中频后,进行数字取样,通过正交解调器分解成两路正交的I路和Q路信号,再通过幅度与相位补偿等手段,通过一系列数据处理和计算,将I路和Q路数字基带信息分别在时域和频域上分别显示出来,也能看到其射频频谱。矢量分析仪数字解调原理框图如图3所示。4.2误差矢量幅度evm测量值的测量由于数字矢量信号产生和数字矢量信号分析解调处理过程中涉及到了多个部分的内容,因此,在衡量误差矢量幅度EVM量值时,需要考虑数字调制信号产生时各个部分的影响因素对EVM测量值的贡献,以及数字调制信号解调时的不确定度影响。下面分别对矢量信号分析仪的EVM测量不确定度分量和数字调制信号的EVM影响量进行说明。4.2.1射频部分和aa基带解调的evm特点从矢量信号分析仪的数字解调过程分析,EVM的不确定度分量主要涉及到了数字解调的射频部分和VSA基带解调的多个环节,其中,主要有射频谐波失真、互调失真、本振泄漏、反混叠直流偏置、I/Q基带的EVM最大允许误差、载频泄漏、矢量信号分析仪数字化运算的影响、重复性等方面。4.2.1.射频性能评估由矢量信号分析仪的数字调制信号解调原理,可以知道在处理调制信号时,首先要将射频信号通过混频,变频到中频后进行下一级AD数字信号处理。此时,信号分析仪的射频性能就决定了变频后的中频信号质量,图3射频数字信号产生原理框图诸如射频谐波失真、互调失真等成为评估不确定度的重要分量。例如,信号分析仪FSQ26的射频谐波失真为<-70dB,折算成百分比为0.032%。按均匀分布假设,置信因子√33√,那么射频谐波失真引入的标准不确定度分量为0.018%。4.2.1.反混叠滤波器在射频信号变换到中频后,由于中频镜像等因素的影响,可能将射频信号或假信号认为是中频信号来处理,导致解调出错,因此,通过反混叠滤波器将不该有的射频信号或假信号滤除,保证中频信号保持射频信号的频谱信息。例如,信号分析仪FSQ26的反混叠滤波器直流偏置指标为<-65dB,折算成百分比为0.056%,按均匀分布假设,置信因子√33√,那么反混叠滤波器引入的标准不确定度分量为0.032%。4.2.1.补偿技术中的不平衡性在图2说明中的信号重塑、比较、数据计算处理等过程中,可能会引入DSP处理的能力对EVM造成影响。而在实际测量中,系统采用德国R/S公司的FSQ26,在DSP重塑波形,并比较原始输入波形时,会产生调制器与解调器的系统间不平衡误差,在测量时,由于各自采用了补偿技术,使这一不平衡性最优化。(1)ADC分辨力与比特率引入的影响DSP处理中,考虑ADC分辨力的因素,FSQ26的ADC分辨力为14bit,则最小分辨力为1214≈6.1×10-5=0.0061%1214≈6.1×10−5=0.0061%。比特率与符号率码长直接与I/Q存储器的容量有关,FSQ26的I/Q存储器容量位16M,则最小分辨力为1216-1≈1.5×10-5=0.0015%1216−1≈1.5×10−5=0.0015%。(2)分辨力引入的影响EVM的读数分辨力为±0.001%。(3)对于SPAN、RBW、Length等参量设置的位宽的影响由于在标准制式数字信号分析中,矢量信号分析仪采用约定好的SPAN、RBW、Length等参量设置,存在的影响有限,可以忽略。总体而言,可能引入的不确定度为上述几项的方和根,就算结果为0.0064%。4.2.1.基带分析模块的不确定度l在我们所分析的系统中,分析数字解调信号时,是建立在以基带I/Q解调模块基础上的,将基带I/Q解调模块单独考虑,分析其EVM的最大允许误差来衡量基带分析模块的不确定度。由于不同符号率带宽的EVM的最大允许误差不同,因此,对于不同调制方式、不同调制速率的信号,需要分别计算其不确定度分量。4.2.1.数字解调后的i/q信号射频信号的载波泄漏实际上就是我们平时测量的“I/Qoriginoffset”,即在数字解调后的基带I路和Q路的信号的泄漏。例如,信号分析仪FSQ26的I/Q信号载频泄漏指标为<-60dB,折算成百分比为0.1%。按均匀分布假设,置信因子√33√,那么I/Q信号载频泄漏引入的标准不确定度分量为0.058%。4.2.1.数字调制信号的读取在评估好分析仪各个指标分量后,还需要考虑我们实际测量的测量重复性。由于信号分析仪解调数字调制信号时,读取得EVM值跳动较大,因此需要读取N个测量值作为一个读数值。一般的,N=10次。综上所述,我们可以知道对误差矢量幅度EVM的各个不确定度分量,总的EVM标准不确定度为上述各个EVM不确定度分量的平方和的根。4.2.2影响因素及指标从数字矢量信号产生的数字调制过程分析,这些影响因素主要有:I/Q不平衡、寄生调幅、相位噪声、信噪比SNR、带内杂散与非线性失真、谐波失真等问题。4.2.2.与相位不平衡的区分原理及补偿规则调制器与解调器的不平衡性包括了相位不平衡和幅度不平衡。由于矢量信号分析仪的I/Q调制器分析功能中,包括了在解调过程中信号滤波、补偿等内容,使I/Q解调后的信号最优化,其不平衡性最小。文献1中分析调制器与解调器对于幅度不平衡α与相位不平衡ϕ的影响,将幅度不平衡与相位不平衡区分开来,并区分了I路和Q路的相位不平衡量。通过一系列理论计算,引入的EVM分量可以分解成幅度和相位两个分量来计算。文献用公式表示为EVΜ1=√[10(α/2)/20×cos(φ/2)-1]2+[10(α/2)/20×sinφ/2)]2EVM1=[10(α/2)/20×cos(φ/2)−1]2+[10(α/2)/20×sinφ/2)]2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√式中:α—幅度不平衡分量;φ—相位不平衡分量。对于这种不平衡问题,可以通过补偿措施,使这些不平衡和不匹配最小化。目前,比较成熟的产品,调制器的不平衡性可以做到非常小,达到EVM值小于0.05%的程度。4.2.2.信号源噪声的影响我们都知道,对于信号源的噪声中,存在的主要噪声是调幅噪声和相位噪声,下面先分析调幅噪声对EVM的影响。寄生调幅是载波信号上出现了不应该出现的幅度调制,将原来恒幅的载波信号变成了带有幅度变化的载波信号,因此,调制信号的幅度与载波幅度之比称之为“寄生调幅”。对于信号源的噪声中,参考国内外技术资料可知,调幅噪声比较小,以调相噪声占据了信号源噪声的主要地位,所以在考虑EVM来源时,寄生调幅引起的分量可以忽略。从矢量信号分析仪解调数字矢量信号的方法来看,由于采取了幅度补偿等手段,在信号源噪声中,调幅噪声的影响极其为小,可以忽略。如图5所示,我们在测量载频为870MHz的NADC标准数字信号时,能够测量得到寄生调幅为0.00dB,EVM2=0。4.2.2.evm影响量的测量在前文4.2.2.2中提到的寄生调幅可以忽略的情况下,可认为没有幅度调制,即恒包络信号,因此,我们主要考虑相位噪声对于EVM的影响。在发射机与接收机组成的系统中,误差矢量幅度EVM与相位、信噪比直接相关,演推公式EVΜ23=1SΝR+2[1-cos(Φc)]EVM23=1SNR+2[1−cos(Φc)](9)从公式(9)可以知道,信噪比、调相相位与误差矢量幅度EVM的关系。(1)信噪比信噪比是我们所需信号与背景噪声之比。假设没有调相相位Φc时,信噪比对EVM的影响可以用数学表达式表示为EVΜ31=√1SΝR×100%EVM31=1SNR−−−−√×100%(10)式中:SNR—信噪比。通常在实际信号测试中,各个信道之间总是有一定的带宽,在带宽内信号与噪声之比越大,那么信噪比越好,接收机的接受能力越强;反之,信号接收能力越差。实际应用中,可以通过滤波等手段,降低噪声电平幅度,使信号接收性能力提高。我们利用矢量信号分析仪测量数字矢量信号时,也能测量得到SNR这样一个测试值,从图5中可以看到SNR=50.49dB,将其转换成百分比之后,运用式(11),可以得到EVM312=8×10-11。(2)相位噪声假设信噪比SNR很好的情况下,那么调相相位对EVM的影响可以用数学表达式表示为EVΜ32=√[2-2cos[θ(t)]EVM32=[2−2cos[θ(t)]−−−−−−−−−−−√(11)其中,θ(t)为调相相位。由于在数字调制信号的情况下测量相位是十分困难的事情,根据文献可知,相位抖动均方值σ2ΔΦ2ΔΦ和相对单边带功率谱密度L(f)之间的关系为[θ(t)]2=σ2ΔΦ2ΔΦ=2∫λf2L(f)df(12)通过式(12)可以将相对单边带功率谱密度转换成相位抖动均方值,可以方便的将相位噪声转化成相位抖动,即相位问题,从而可以运用式(11),便能计算得到调相相位对于EVM的影响量。式(12)中,L(f)是单边带相位噪声谱密度,可以通过现有设备容易测试得到的参数。在实际测量中,可以通过相位噪声测量系统如3048A、FSUP、PN9000等测试设备测量得到数字矢量信号源的载频信号的相位噪声。4.2.2.信号均方功率值载波泄露是信号平均功率与泄露的载波功率之比,用符号ξc表示,单位为dB。参考文献2中载波泄露对EVM的影响可以用数学表达式表示为EVΜ4=|C+S-S|S=10-ξ/20×100%(13)式中:S—信号的