引言
在無線通信設備中，由功率放大器造成的相位和幅值失真對通信質量有著直接的影響。在最新的通信系統協議中，分析功率放大器性能最重要的測量就是測量誤差矢量幅值，即EVM。它衡量的是調制的精度，即功率放大器傳輸由不同相位和幅值的射頻信號表示的信息的優劣。通過EVM測量能夠觀察到通信鏈路內部的情況，是衡量發射器性能的關鍵。在接收器一側，EVM衡量的是接收器解調傳輸信號的優劣。
隨著各種現有的和新的信號協議與調制方法應用于新興的無線通信標準，新一代射頻測試儀器需要采用包括軟件無限電（SDR）在內的新型數字架構實現方案去測試新的信號傳輸機制。新的儀器必須具有產生和分析多種類型調制信號的靈活性，必須能夠在這些調制類型之間進行快速切換。因此，新的射頻儀器必須能夠快速而精確地測量多種不同調制格式的EVM指標。本文我們將分析這些新型儀器是如何精確測量EVM，從而對射頻放大器性能進行充分的特征分析。
射頻功率放大器
給出了一個簡化的通信系統，其中輸入信號可以是語音或者數據。現代的大部分系統都把所有的模擬信號進行了數字化處理， 因此該通信系統實際上是全數字的。
功率放大器是信號發射器的最后一級。這里任何幅值或相位失真都會直接影響整個系統的通信質量。
為了實現最佳的性能，功率放大器通常盡可能地工作在最大的線性功率輸出下。 在最大的線性輸出功率之上是增益壓縮區， 當功率放大器進入此壓縮區時，就會出現幅值和相位失真現象。諸如OFDM之類的調制方法能夠產生具有較高峰-均比的信號。這會迫使設計者“補償”功率放大器的平均功率工作點，以確保峰值功率不會使放大器進入增益壓縮區。對于多路信號調制方法和多路徑外部環境，確保功率放大器遠離增益壓縮區是比較困難的。
但是，功率放大器不是影響EVM的唯一組件。發射器的調制模塊具有幅值和相位偏移以及載波泄漏，所有這些因素都會增大EVM誤差。在接收器端，前置放大器、下變頻器和解調器都會影響EVM誤差。
關于EVM
EVM表征的是調制精度，是衡量現代無線通信系統中數字調制質量的一項關鍵指標。EVM是發射信號的理想的測量分量I（同相位）和Q（正交相位）（稱為基準信號“R”）與實際接收到的測量信號“M”的 I和Q分量幅值之間的矢量差。EVM適用于每一個發射和接收的符號。
通過EVM值可以觀察到信號的質量，這是眼圖或BER等測量性能指標無法表征的。EVM與誤碼率成正比，但是它比眼圖或BER測試的速度更快，并且能夠提供更多可供觀察判斷的信息。
EVM和信噪比（SNR）以及信號與噪聲加失真比（SNDR）也有直接的關系。我們可以通過EVM判斷通信系統不同層次引入的實際誤差，這能夠幫助設計者查找某些具體的問題。
EVM的測量
EVM測量的建立給出了一種典型的EVM測量設置。待測器件（DUT）是用于發射符合GSM/EDGE移動通信標準信號的功率放大器。我們以測試其EDGE調制的EVM性能。
我們使用一臺矢量信號發生器（VSG）產生具有所需頻率、幅值和EDGE調制的射頻信號。該射頻信號通過待測的功率放大器進行發送，并在矢量信號分析儀（VSA）中進行解調，VSA負責測量并計算EVM。
VSG和VSA的基準頻率時鐘連接在一起。這種方式消除了兩臺儀器之間的相對頻率誤差，大大加快了測量速度。這兩臺儀器通過它們的LAN（LXI）或GPIB端口與一臺電腦相連。
在這個例子中，我們將在放大器的工作頻率范圍上和輸入功率的范圍上測量EVM，以分析功率放大器的EVM是如何受頻率和輸入功率大小的影響的。
通過鼠標、分析儀的觸摸板或者電腦遙控的方式，很容易控制新型射頻儀器的用戶界面。
在這個測量例子中，頻率始終保持在500MHz，而射頻輸入功率以0.1dB為步長從-40dBm變化到-20dBm。這樣將有201個幅值步長（即測量點），每個步長的測量需要耗時200ms。直流偏壓保持不變。調制信號是一個8PSK EDGE信號，在測量峰值EVM時，對每個幅值步長取20次測量結果的平均值。
用矢量信號分析儀測試EVM與輸入功率關系給出了詳細的測量結果。其中下面的一幅圖表示放大器增益與輸入功率的關系（藍線），該圖顯示標稱增益約為19.5dB。它在輸入功率為-28~-30dBm時開始下降。放大器增益在輸入功率為-23.5dBm時降低1dB，在-20dBm時降低3dB。
上面的一幅圖表示EVM與功率的關系。標識了“失真線（Distorted Plot）”的紅線是放大器的EVM，顯然，隨著功率放大器進入增益壓縮區，EVM快速下降。在線性區中EVM只有不到1%。在1dB的壓縮點EVM增長到20%左右，在3dB的壓縮點EVM增長到40%以上。
上面一幅圖還顯示了其他一些信息。標識了“基準線（Baseline Plot）”的綠線是分析儀的固有EVM噪聲。它的EVM約為1%，遠遠優于所測壓縮區中功率放大器的EVM。
在這個測量例子中，分析儀在大約40秒的時間內進行了4020次精確的EVM測量。
頻率以10MHz為步長從400MHz變化到2.5GHz。這個實驗中包含211個頻率測量步長（即測量點），每個步長的測量耗時約220ms。射頻輸入功率穩定在-30dBm。 直流偏壓保持不變。同樣，調制信號是8PSK的EDGE信號，對每個頻率步長取20次測量結果的平均值。
EVM與射頻頻率關系給出了更詳細的測量結果。下面的一幅圖給出了放大器增益與頻率之間的關系（藍線），該圖表明在400～500MHz的頻率范圍內，增益約為19.5dB，而在高頻下增益大幅度衰減，在2.5GHz下約為10dB。
上面的一幅圖給出了EVM與頻率之間的關系。該圖表明EVM并不隨頻率而衰減。
而且，分析儀固有的EVM噪聲相比功率放大器的EVM性能一樣好，或者好得多。
這里，分析儀在大約46秒的時間內進行了4220次精確的EVM測量。
在這個例子中，DUT在其頻率范圍內都能夠提供很好的調制質量。由于EDGE接收器不僅能夠檢測相位調制，即使是在幅值下降的情況下也仍然能夠正確解調信號。EDGE使用8PSK調制信號，表明，它對EVM下降的敏感性較低。
雖然沒有給出測試結果，但是我們必須在一定的偏壓范圍內對功率放大器的EVM進行特征分析，以決定EVM在哪個位置達到無法接受的水平。這對于將要用于移動產品中的器件尤其重要。當EVM達到阻止接收器正確解調發射信號的水平時，這時的偏壓值決定了移動設備必須關機的電池電壓。產品生產過程中必須檢驗在規定的電池低閾值電平之上移動設備是否仍然能夠正常工作。
更復雜的是測量OFDM傳輸的EVM性能，OFDM傳輸實際上是一組工作在不同頻率下的副載波，每個副載波傳輸一個唯一的符號，而且同時進行傳輸。這種調制方式將產生多個星圖，使用多種調制技術。在任意時間點上，根據傳輸中各個符號狀態的相位，組合的符號狀態可能產生非常大或者非常小的功率輸出。這就是設置功率放大器工作點盡可能減少功率放大器在增益壓縮區內工作的關鍵所在。正如EVM與功率之間關系的分析結果所示，工作在增益壓縮區會嚴重降低 EVM和調制質量。
SDR的優勢
在SDR中，快速而強大的數字處理電路取代了傳統的模擬電路。由于可以通過更改固件而不是硬連線電路來改變測量功能，因此這種設計更加靈活。基于SDR架構的產品也更加小巧、更加可靠，成本更低。
對測試成本的影響
除了能夠提高測量質量之外，采用SDR架構的測試儀器還有很多方法可以降低測試的成本。
首先，測量時間縮短。先進的數字架構能夠加快測量速度，而專門的合成器電路則加快了調諧時間。如果VSG和VSA采用相同的架構并采用協同工作的設計方式，那么系統集成時間也隨之縮短了。
同時，儀器靈活的數字架構意味著可以通過軟件的方式增加新的測量功能，而不用改動硬件。
結語
功率放大器和其他元件的相位和幅值失真直接影響著通信質量。EVM是衡量通信質量的一項關鍵指標，它的主要優勢在于，測量速度比BER 測試更快，相比眼圖或BER測試能夠提供更多的診斷信息。但是，EVM不是僅僅一個數值，而是工作功率大小、工作頻率和直流偏壓的函數。此外，在OFDM 傳輸中，EVM是由多個信號組合而成。因此，必須在一定的參數范圍內對發射器（或功率放大器）的性能進行特征分析和測試，以確保設備能夠使用戶獲得可靠、正常工作。
新一代射頻儀器，例如吉時利的射頻測試系列儀器，采用了數字架構和SDR等創新技術，兼容已有的和新興的高產能傳輸技術。這使得這類儀器能夠實現很高的測量精度，同時大大提高了儀器的性價比，降低了測試成本。
