LTE系統(tǒng)中射頻濾波器對(duì)EVM影響分析(一)

1、LTE EVM的定義及其通過射頻濾波器S參數(shù)進(jìn)行估算：

1.1、3GPP對(duì)LTE信號(hào)EVM的定義

LTE信號(hào)的EVM（誤差矢量幅度）定義為：復(fù)雜傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)與理想?yún)⒖挤?hào)之間的差的幅度，該差值被理想?yún)⒖夹盘?hào)歸一化，并在1毫秒的子幀上進(jìn)行平均。

上述定義與WCDMA等其他蜂窩標(biāo)準(zhǔn)相似。然而，與這些標(biāo)準(zhǔn)不同的是，LTE信號(hào)的EVM是在稱為資源塊的180kHz間隔內(nèi)測(cè)量的。資源塊的數(shù)量取決于LTE載波的帶寬。例如，1.4MHz的LTE信號(hào)包含6個(gè)資源塊，而20 MHz的LTE信號(hào)則包含100個(gè)資源塊。

LTE信號(hào)的總EVM是根據(jù)3GPP TS 36.104，附件E.7 [1]進(jìn)行計(jì)算的：

其中：

EVM 表示LTE信號(hào)中所有資源塊上的均方根誤差矢量幅度（rms EVM）。

EVMi 表示在第i個(gè)資源塊上測(cè)量的EVM。

N 表示LTE信號(hào)中的資源塊數(shù)量。

1.2、根據(jù)射頻濾波器S參數(shù)計(jì)算EVM

在濾波器設(shè)計(jì)過程中，為了能夠計(jì)算濾波器的EVM（誤差矢量幅度），以確定其是否滿足客戶的規(guī)格要求，通常是很有必要的。

這可以通過對(duì)Pimingsdorfer等人[2]描述的方法進(jìn)行改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法使得能夠根據(jù)濾波器的復(fù)數(shù)傳輸系數(shù)S21來(lái)估算其對(duì)EVM的貢獻(xiàn)。

使用這種方法，第i個(gè)資源塊的EVM可以按如下方式計(jì)算：

其中：

Δα 表示濾波器通帶內(nèi)第 i 個(gè)資源塊的有效幅度波動(dòng)，定義為濾波器插入損耗相對(duì)于其均方根（rms）插入損耗的均方根偏差，并歸一化到均方根插入損耗。

Δ? 表示濾波器通帶內(nèi)第 i 個(gè)資源塊的有效相位波動(dòng)，定義為濾波器相位響應(yīng)相對(duì)于理想線性（最小二乘）相位響應(yīng)的均方根偏差。

然后，根據(jù)方程 1，計(jì)算所有資源塊EVM的均方根值來(lái)確定總EVM。

1.3、對(duì)射頻濾波器設(shè)計(jì)的啟示

當(dāng)將方程1和方程2應(yīng)用于測(cè)量或模擬的濾波器S參數(shù)時(shí)，可以迅速發(fā)現(xiàn)，射頻濾波對(duì)LTE系統(tǒng)EVM（誤差矢量幅度）性能的影響在實(shí)際應(yīng)用中幾乎可以忽略不計(jì)。

這是因?yàn)橘Y源塊的帶寬相對(duì)于典型射頻濾波器的帶寬來(lái)說(shuō)非常小。因此，在一個(gè)資源塊內(nèi)觀察到的幅度和相位失真量往往很小。這會(huì)導(dǎo)致總EVM值非常低（通常低于0.5%），即使對(duì)于具有異常陡峭滾降特性的濾波器也是如此。

以下各節(jié)將探討這一預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2、測(cè)量濾波器引起的EVM上升的測(cè)試平臺(tái)：

2.1、設(shè)備設(shè)置

為了評(píng)估射頻濾波對(duì)LTE信號(hào)EVM（誤差矢量幅度）水平的影響，我們對(duì)一種常見于蜂窩基站（Node B）前端的帶通濾波器進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。所使用的設(shè)備設(shè)置的方框圖如圖1所示。

圖1 – LTE EVM測(cè)試平臺(tái)的方框圖。

注：為了清晰起見，圖上沒有顯示10MHz參考電纜和外部觸發(fā)電纜。

使用是德科技（Keysight）的信號(hào)工作室（Signal Studio）波形生成軟件，在筆記本電腦上創(chuàng)建了一個(gè)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的LTE信號(hào)。這使得能夠創(chuàng)建具有多種帶寬和基帶調(diào)制類型（包括QPSK、16QAM和64QAM）的上行鏈路和下行鏈路LTE信號(hào)。

然后，將生成的LTE波形下載到安捷倫N5182B MXG矢量信號(hào)發(fā)生器中，該發(fā)生器可以根據(jù)需要調(diào)整頻率和功率電平。

被測(cè)設(shè)備（DUT）處理后的LTE信號(hào)由配備有LTE測(cè)量選項(xiàng)的安捷倫N9020B頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量。這使得能夠分析并以多種格式顯示接收信號(hào)的EVM（誤差矢量幅度）。對(duì)于本次調(diào)查而言，在大多數(shù)情況下，用%rms表示的簡(jiǎn)單總EVM值就足夠了。

2.2、測(cè)試平臺(tái)的殘余EVM

在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試平臺(tái)本身具有一個(gè)雖小但顯著的殘余EVM水平，該水平通常取決于信號(hào)帶寬、功率電平和子載波調(diào)制類型，典型值為0.7–1.3%rms?？梢酝ㄟ^將信號(hào)發(fā)生器的射頻輸出直接電纜連接到信號(hào)分析儀的射頻輸入來(lái)測(cè)量這一殘余EVM。

為了防止測(cè)試平臺(tái)的殘余EVM（誤差矢量幅度）對(duì)被測(cè)設(shè)備（DUT）的測(cè)量結(jié)果引入誤差，我們?cè)诿總€(gè)感興趣的頻率、功率電平、信號(hào)帶寬和調(diào)制方案下都測(cè)量了殘余EVM。然后，從DUT后續(xù)的所有EVM測(cè)量值中減去這些殘余值。因此，本報(bào)告中呈現(xiàn)的EVM結(jié)果實(shí)際上是“EVM上升”結(jié)果，即從殘余水平開始的EVM變化。

測(cè)試平臺(tái)殘余EVM的典型截圖如圖2所示。它顯示了在一個(gè)具有10MHz帶寬且所有子載波采用64QAM調(diào)制的LTE下行鏈路信號(hào)中，每個(gè)50個(gè)資源塊的測(cè)量EVM。如第1.1節(jié)所述，總殘余EVM就是各個(gè)資源塊EVM的均方根（rms）值。

圖2 – LTE測(cè)試平臺(tái)對(duì)于10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE下行鏈路信號(hào)的殘余誤差矢量幅度（EVM）。

2.3、測(cè)試平臺(tái)的動(dòng)態(tài)范圍

LTE測(cè)試平臺(tái)的一個(gè)限制是，安捷倫矢量信號(hào)分析儀只能在相對(duì)較小的信號(hào)功率范圍內(nèi)測(cè)量EVM（誤差矢量幅度），而不會(huì)對(duì)測(cè)試設(shè)置的殘余EVM產(chǎn)生不利影響。

例如，對(duì)于采用64QAM子載波調(diào)制的10MHz LTE下行鏈路信號(hào)，在載波功率為0 dBm時(shí)，測(cè)試平臺(tái)的殘余EVM為0.53%。相比之下，在載波功率為-30 dBm時(shí)，相同信號(hào)的殘余EVM達(dá)到了7.8%。低于此功率水平時(shí)，殘余EVM變得更差，且每次測(cè)量之間的變化更大。這使得無(wú)法區(qū)分被測(cè)設(shè)備對(duì)整體系統(tǒng)EVM的貢獻(xiàn)。

信號(hào)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍較低，這可能是因?yàn)槠渲饕猛臼亲鳛榘l(fā)射機(jī)測(cè)試儀，用于在通過無(wú)線鏈路傳輸之前評(píng)估LTE信號(hào)的質(zhì)量。它并不是為了模擬實(shí)際LTE接收機(jī)的低噪聲系數(shù)和高靈敏度而設(shè)計(jì)的。因此，本報(bào)告中的大多數(shù)結(jié)果都是在功率水平約為0dBm時(shí)獲得的（除非另有說(shuō)明），因?yàn)樵谠摴β仕较拢瑴y(cè)試平臺(tái)的殘余EVM最低。

2.4、被測(cè)設(shè)備（DUT）

為了評(píng)估射頻濾波對(duì)誤差矢量幅度（EVM）的影響，需要一款能產(chǎn)生高水平線性失真的濾波器。這里的“線性失真”是指濾波器引起的信號(hào)幅度、相位和/或群時(shí)延隨頻率的變化。

本次研究中選擇的被測(cè)設(shè)備（DUT）是Triasx的DDF0035F1V1陶瓷帶通濾波器，該濾波器在發(fā)射（Tx）頻帶以上的滾降特性非常陡峭。其通帶被調(diào)至875–889.6 MHz，而在891.6 MHz處的衰減超過80 dB。

這款濾波器被用于850MHz網(wǎng)絡(luò)，以防止帶外發(fā)射機(jī)干擾落入同址共存的GSM基站的上行鏈路。

圖3展示了該濾波器頻率響應(yīng)的一些網(wǎng)絡(luò)分析儀截圖。關(guān)鍵的線性失真特性總結(jié)在表1中。這里只展示了最壞情況下的結(jié)果；這些結(jié)果是在濾波器通帶極端上邊緣的10 MHz帶寬內(nèi)測(cè)量的，因?yàn)樵谶@個(gè)位置，幅度、相位和群時(shí)延的變化最大。

插損和回波損耗：

回波損耗和群時(shí)延：

圖3 – 頻率響應(yīng)圖：用于LTE誤差矢量幅度（EVM）測(cè)試的濾波器。

表1 – LTE EVM測(cè)試中濾波器最壞情況下的線性失真測(cè)量結(jié)果。

3、矢量信號(hào)分析儀截圖：

3.1、LTE下行鏈路測(cè)試信號(hào)
圖4展示了一個(gè)典型的LTE下行鏈路信號(hào)的頻譜。該信號(hào)具有10MHz的帶寬，并且所有子載波上都采用了64QAM調(diào)制。此截圖是在被測(cè)設(shè)備（DUT）未在場(chǎng)的情況下拍攝的，使用的是從信號(hào)發(fā)生器到信號(hào)分析儀的直接電纜連接。

圖4 - 采用64QAM子載波調(diào)制的10 MHz帶寬LTE下行鏈路信號(hào)的頻譜。

圖5展示了上述信號(hào)的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）。該信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與白噪聲非常相似（在同一張圖上以灰色曲線表示）。然而，其峰值平均功率比略高，最大值為11.1 dB。高峰值平均功率比是LTE下行鏈路中使用的正交頻分多址（OFDMA）調(diào)制方案的一個(gè)典型特征。

圖5 - 10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE下行鏈路信號(hào)的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）。

3.2、LTE下行鏈路結(jié)果界面

圖6展示了矢量信號(hào)分析儀結(jié)果界面的截圖。該截圖顯示了LTE下行鏈路信號(hào)通過被測(cè)設(shè)備（DUT）后的關(guān)鍵特性。

圖6 - 使用10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE下行鏈路信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備（DUT）進(jìn)行誤差矢量幅度（EVM）測(cè)試的結(jié)果。

上述截圖的左上角區(qū)域是接收到的LTE信號(hào)的復(fù)合星座圖。它包含了幾百個(gè)不同的64QAM星座圖，這些星座圖代表了用戶數(shù)據(jù)符號(hào)，并全部疊加在同一組坐標(biāo)軸上。此外，它還包含了各種控制信號(hào)的星座圖。

截圖的右上角區(qū)域是幀摘要，顯示了LTE載波中每種信號(hào)的EVM、相對(duì)功率電平和調(diào)制格式。

左下角區(qū)域顯示了接收到的LTE信號(hào)的射頻頻譜和總功率。

右下角區(qū)域是錯(cuò)誤摘要窗口，顯示了接收信號(hào)中的各種錯(cuò)誤類型以及接收器使用的校正因子。對(duì)于本次調(diào)查而言，最常用的結(jié)果是該窗口頂部的總EVM值，它考慮了LTE信號(hào)中每種類型子載波的EVM。

3.3、LTE上行鏈路測(cè)試信號(hào)

圖7展示了一個(gè)典型的LTE上行鏈路信號(hào)的射頻頻譜。該信號(hào)在所有子載波上均采用了10 MHz帶寬和64QAM調(diào)制。此截圖是在沒有放置被測(cè)設(shè)備（DUT）的情況下，通過信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)分析儀之間的直接電纜連接拍攝的。

圖7 - 10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE上行鏈路信號(hào)的射頻頻譜。

圖8展示了上行鏈路信號(hào)的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）。上行鏈路信號(hào)的峰值平均功率比（PAR）僅為8.7 dB，相比之下，下行鏈路信號(hào)達(dá)到了11.1 dB。這是因?yàn)長(zhǎng)TE上行鏈路采用了單載波頻分多址（SC-FDMA）調(diào)制，其設(shè)計(jì)目的是降低發(fā)射信號(hào)的PAR，以提高功率放大器的效率，從而延長(zhǎng)手機(jī)電池的使用壽命。

圖8 - 10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE上行鏈路信號(hào)的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）。

3.4、LTE上行鏈路結(jié)果界面

圖6展示了矢量信號(hào)分析儀結(jié)果界面的截圖。該截圖顯示了LTE上行鏈路信號(hào)通過被測(cè)設(shè)備（DUT）后的關(guān)鍵特性。盡管為了處理上行鏈路信號(hào)，儀器的配置需要稍作不同，但所呈現(xiàn)的信息與第4.2節(jié)中給出的下行鏈路示例幾乎完全相同。

請(qǐng)注意，盡管只有一個(gè)用戶在傳輸，但星座圖仍然是復(fù)合星座圖，其中包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)單獨(dú)的星座圖相互疊加。這是因?yàn)楸M管是單用戶傳輸，但不同的子載波上仍然同時(shí)發(fā)送了多個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。

圖9 - 使用10 MHz帶寬和64QAM調(diào)制的LTE上行鏈路信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備（DUT）進(jìn)行誤差矢量幅度（EVM）測(cè)試的結(jié)果。

3.5、均衡信道頻率響應(yīng)

圖10展示了均衡信道頻率響應(yīng)的截圖。它顯示了由LTE信道估計(jì)過程確定的被測(cè)設(shè)備（DUT）的幅度、相位和群延遲特性。

信道估計(jì)過程涉及將一組已知幅度和相位特性的導(dǎo)頻音嵌入到LTE信號(hào)中。然后，接收器可以分析接收到的導(dǎo)頻音的特性，并確定無(wú)線信道的頻率響應(yīng)。

這一過程的主要?jiǎng)訖C(jī)是為了對(duì)抗城市環(huán)境中多徑衰落的影響。然而，它對(duì)于消除射頻濾波器引入的線性失真的影響也非常有效，從而防止這些組件降低系統(tǒng)的誤差矢量幅度（EVM）性能。

因此，在后續(xù)部分中報(bào)告的極低的EVM上升結(jié)果幾乎完全歸功于LTE標(biāo)準(zhǔn)的信道估計(jì)功能。

圖10 - 由LTE均衡器確定的被測(cè)設(shè)備（DUT）的頻率響應(yīng)。

本篇文章主要介紹整個(gè)EVM的概念，測(cè)試系統(tǒng)的搭建以及LTE鏈路測(cè)試信號(hào)測(cè)試結(jié)果，下篇文章繼續(xù)介紹射頻濾波器對(duì)LTE信號(hào)的影響

參考文獻(xiàn)：

1. LTE: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) – Base Station (BS) radiotransmission and reception; 3GPP TS 36.104 version 8.4.0 Release 8.

2. Impact of SAW RF and IF Filter Characteristics on UMTS Transceiver Performance; Pimingsdorfer, D. et al; 1999 IEEE Ultrasonics Symposium; pp. 365–368.