射频指标参数是评估无线通信系统性能的关键指标,对于电子工程师和通信专业人员来说至关重要。常见的射频指标参数包括EVM(误差矢量)、ACPR(临近信道功率比)和ACLR(临近信道功率比)等,了解这些指标的含义及其实际意义,有助于工程师优化射频系统设计、提高无线通信性能,并确保稳定的数据传输。在无线通信设计中,有很多个关键的射频指标参数需要我们了解和掌握。下面将对这些参数进行详细解释。
1、接收灵敏度(Rx Sensitivity)
接收灵敏度是一个基本且重要的概念,它表示接收机能够在一定误码率条件下识别的最低信号强度。在多数情况下,我们使用比特误码率(BER)或数据包错误率(PER)来评估接收灵敏度。而在LTE时代,更常使用吞吐量(Throughput)来定义接收灵敏度,因为LTE不再使用传统电路交换的语音信道,而是通过吞吐量来衡量用户能够实际感受到的性能。
2、信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)
当讨论接收灵敏度时,我们经常会提到信噪比。解调信噪比是指在一定误码率条件下解调器可以处理的最低信噪比门限。S代表信号(Signal),即有用的信号;N代表噪声(Noise),它泛指所有不带有有用信息的信号。通信系统发射机发送出有用信号,而噪声有很多来源,其中最典型的是被称为自然噪声底的-174dBm/Hz噪声功率密度。这个值与通信系统类型无关,是根据热力学原理推算出来的,因此与温度有关。需要注意的是,噪声功率与接收信号带宽相关,即我们接收多大带宽的信号,就会接收到对应带宽范围内的噪声功率。因此,最终的噪声功率是通过对噪声功率密度在整个带宽上的积分得到的。
3、发射功率(TxPower)
发射功率的重要性在于信号需要经过空间衰减后才能到达接收机,因此更高的发射功率意味着更远的通信距离。
那么,我们是否需要关注发射信号的信噪比?例如,如果发射信号的信噪比很差,那么传输到接收机的信号的信噪比是否也很差?
这涉及到之前提到的自然噪声底的概念。我们假设空间衰减对信号和噪声的影响是相同的(实际情况并非如此,信号可以通过编码来抵御衰减,而噪声无法做到),并且是像衰减器一样起作用的。假设空间衰减为-200dB,发射信号带宽为1Hz,功率为50dBm,信噪比为50dB,那么接收机接收到的信号的信噪比是多少?
4、ACLR/ACPR
我们将这两个项目放在一起,因为它们实际上表征的是“发射机噪声”的一部分,只不过这种噪声不是在发射信道之内,而是发射机泄漏到相邻信道中去的部分,因此可以统称为“邻道泄漏”。
其中ACLR和ACPR(其实是一个东西,不过一个是在终端测试中的叫法,一个是在基站测试中的叫法),都是以“Adjacent Channel”命名,顾名思义,都是描述本机对其他设备的干扰。这两者之间的共同点在于,对干扰信号的功率计算都是以一个信道带宽为基准。这种计量方法表明,这一指标的设计目的主要是考量发射机泄漏的信号对相同或相似制式的设备接收机的干扰——即干扰信号以同频同带宽的模式落到接收机带内,形成对接收机接收信号的同频干扰。
在LTE系统中,ACLR的测试设置了EUTRA和UTRA两种模式。其中EUTRA是描述LTE系统对LTE系统的干扰,而UTRA是考虑LTE系统对UMTS系统的干扰。因此,我们可以看到EUTRA-ACLR的测量带宽是LTE RB的占用带宽,而UTRA-ACLR的测量带宽则是UMTS信号的占用带宽(FDD系统为3.84MHz,TDD系统为1.28MHz)。换句话说,ACLR/ACPR描述的是一种“对等的”干扰:即发射信号的泄漏对同样或者类似的通信系统发生的干扰。
这个定义具有非常重要的实际意义。在实际的网络中,同小区、邻小区以及附近小区经常会有信号泄漏过来。因此,网规网优的过程实际上就是容量最大化和干扰最小化的过程,而系统本身的邻道泄漏对于邻近小区就是典型的干扰信号。从系统的另一个方向来看,拥挤人群中用户的手机也可能成为互相的干扰源。
同样的,在通信系统的演化中,一直以“平滑过渡”为目标。这意味着在现有网络上升级改造进入下一代网络。那么两代甚至三代系统共存就需要考虑不同系统之间的干扰。LTE引入UTRA就是考虑了LTE在与UMTS共存的情形下对前代系统的射频干扰。
5、Modulation Spectrum/Switching Spectrum
回到GSM系统,Modulation Spectrum(调制谱)和Switching Spectrum(切换谱,也有称为开关谱的,对舶来品不同翻译的缘故)也扮演了邻道泄漏相似的角色。不过它们的测量带宽并不是GSM信号的占用带宽。从定义上看,可以认为调制谱是衡量同步系统之间的干扰,而切换谱是衡量非同步系统之间的干扰(事实上如果不对信号做gating,切换谱一定会把调制谱淹没掉)。
这就涉及到了另一个概念:在GSM系统中,各小区之间是不同步的,虽然它采用的是TDMA;而相比之下,TD-SCDMA和之后的TD-LTE,小区之间是同步的(那个飞碟形状或者球头的GPS天线永远是TDD系统摆脱不了的桎梏)。
由于小区间不同步,因此A小区上升沿/下降沿的功率泄漏可能落到B小区的payload部分,所以我们用切换谱来衡量此状态下发射机对邻信道的干扰。而在整个577us的GSM timeslot里,上升沿/下降沿的占比毕竟很少,多数时候两个相邻小区的payload部分会在时间上交叠,因此评估这种情况下发射机对邻信道的干扰就可以参考调制谱。
6、SEM (Spectrum Emission Mask)
在讨论SEM之前,首先要明确它是一个“带内指标”,与spurious emission这个概念区分开来。Spurious emission主要关注的是发射机工作频段之外的频谱泄漏,这是从电磁兼容性(EMC)的角度出发的。
而SEM提供的是一个“频谱模板”,在测量发射机带内频谱泄漏时,我们主要看是否有超出这个模板限制的点。SEM与ACLR有一定关联,但它们的侧重点并不完全相同。ACLR主要考虑的是泄漏到邻近信道中的平均功率,所以它以信道带宽为测量带宽,这体现了发射机在邻近信道内的“噪声底”。而SEM则反映的是以较小的测量带宽(通常在100 kHz到1 MHz之间)捕捉在邻近频段内的超标点,这体现了“以噪声底为基础的杂散发射”。
使用频谱仪扫描SEM时,我们通常会发现邻近信道上的杂散点普遍高于ACLR均值,这就意味着如果ACLR指标本身没有余量,SEM就很容易超标。相反,如果SEM超标,并不一定意味着ACLR不良,一种常见的情况是有LO的杂散或者某个时钟与LO调制分量(往往带宽很窄,类似点频)串入发射机链路,这时即便ACLR表现良好,SEM也可能超标。
7、EVM (Error Vector)
首先需要明确的是,EVM是一个矢量值,这意味着它不仅有幅度还有角度,它衡量的是“实际信号与理想信号的误差”。这个度量可以有效地表达发射信号的“质量”——实际信号点距离理想信号越远,误差就越大,EVM的模值也就越大。
值得注意的是,发射信号的信噪比并不是那么重要。原因主要有两个:一是发射信号的信噪比往往远远高于接收机解调所需的信噪比;二是当我们计算接收灵敏度时,我们参考的是接收机最恶劣的情况,即在经过大幅度空间衰落之后,发射机的噪声早已被自然噪声所淹没,而有用信号也被衰减到接收机的解调门限附近。
然而,在某些情况下,发射机的“固有信噪比”是需要被考虑的。例如在近距离无线通信中,例如802.11系列无线通信标准,就引入了256QAM的调制方式。对于接收机而言,即使不考虑空间衰落,仅仅解调这样高阶的正交调制信号就需要很高的信噪比。EVM越差,信噪比就越差,解调的难度也就越高。
因此,对于802.11系统的工程师来说,他们通常使用EVM来衡量发射机的线性度;而对于3GPP系统的工程师来说,他们则更倾向于使用ACLR/ACPR/Spectrum等指标来衡量发射机的线性性能。
从起源上讲,3GPP是蜂窝通信的演进道路。从一开始,它就不得不关注相邻信道、隔信道(adjacent channel, alternative channel)的干扰问题。换句话说,干扰是影响蜂窝通信速率的第一大障碍。因此,在演进过程中,3GPP总是以“干扰最小化”为目标。无论是GSM时代的跳频技术、UMTS时代的扩频技术,还是LTE时代RB概念的引入,都是为了实现这一目标。
与蜂窝通信不同,802.11系统的起源是固定无线接入的演进。它是秉承TCP/IP协议精神而来,以“尽最大能力的服务”为目标。802.11系统中经常采用时分或跳频等技术来实现多用户共存。同时,布网也相对灵活(以局域网为主)。信道宽度也是灵活可变的。总的来说,它对干扰并不敏感(或者说容忍度较高)。
简而言之,蜂窝通信的起源是打电话。如果电话打不通,用户很可能会去电信局投诉。而802.11系统的起源则是局域网。当网络不好时,大概率会选择耐心等待(毕竟主要是以局域网为主)。这也决定了3GPP系列必然以ACLR/ACPR一类“频谱再生”性能为指标,而802.11系列则可以以牺牲速率为代价来适应网络环境。
在802.11系列中,为了适应不同的传播条件,在无线网络环境中牺牲速率是指使用不同的调制阶数。当接收机检测到信号质量差时,会立即通知发射机降低调制阶数,反之亦然。在802.11系统中,信噪比(SNR)与误码率向量估计(EVM)有很大关联,降低EVM可以提高SNR。因此,改善接收性能有两种途径:降低调制阶数以降低解调门限,或降低发射机的EVM以提高信号的SNR。
由于EVM与接收机的解调效果密切相关,所以在802.11系统中用EVM来衡量发射机的性能。类似地,对于由3GPP定义的蜂窝系统,ACPR/ACLR是影响网络性能的主要指标。由于发射机的EVM恶化主要是由非线性引起的(例如功率放大器的AM-AM失真),因此EVM通常被用作衡量发射机线性性能的标志。
8.1 EVM与ACPR/ACLR的关系
很难准确定义EVM与ACPR/ACLR之间的定量关系。从放大器的非线性角度来看,EVM与ACPR/ACLR应该是正相关的:放大器的AM-AM和AM-PM失真会扩大EVM,并且也是ACPR/ACLR的主要来源。
不过,EVM与ACPR/ACLR并不总是正相关的。我们可以找到一个典型的例子:在数字中频中常用的Clipping(削峰)技术。Clipping会降低发射信号的峰均比(PAR),从而有助于降低通过功率放大器后的ACPR/ACLR。但是,Clipping同时会损害EVM,因为无论是限幅(加窗)还是滤波方法,都会对信号波形造成损伤,进而增加EVM。
8.2 PAR的起源
信号的峰均比(PAR)通常通过使用CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)这样的统计函数来表示。CCDF曲线描述了信号功率(幅度)值与其出现概率之间的关系。例如,某个信号的平均功率为10dBm,超过15dBm功率的统计概率为0.01%,那么我们可以认为其PAR为5dB。
PAR是影响现代通信系统中发射机频谱再生(例如ACLP/ACPR/调制谱)的重要因素。峰值功率会将放大器推入非线性区域,从而产生失真。通常情况下,峰均比越高,非线性就越强。
在GSM时代,由于GMSK调制具有衡包络特性,PAR等于0。因此,在设计GSM功率放大器时,通常会将其推至P1dB点以获得最大效率。但是引入EDGE之后,8PSK调制不再具备衡包络特性,因此我们通常将功放的平均输出功率推到P1dB以下约3dB,因为8PSK信号的PAR为3.21dB。
9、干扰指标综述
在这里,我们将讨论各种干扰条件下的灵敏度测试,除了接收机的静态灵敏度。研究这些测试指标的起源实际上非常有趣。
常见的干扰指标包括阻塞(Blocking)、抑制(Desense)、信道选择性等。
9.1 阻塞(Blocking)
阻塞实际上是一种非常古老的射频指标,早在雷达发明初期就已经存在。其原理是将大信号注入接收机(通常最受影响的是第一级低噪声放大器),使放大器进入非线性区甚至饱和状态。此时,放大器的增益骤然减小,并产生强烈的非线性效应,从而无法正常放大有用信号。
另一种可能导致阻塞的情况是通过接收机的自动增益控制(AGC)来实现的:当大信号进入接收机链路时,AGC会动态调整增益以确保动态范围;但与此同时,有用信号的电平较低,由于增益不足,进入解调器的有用信号振幅不足。
阻塞指标可以分为带内和带外,主要是因为射频前端通常有频带滤波器,对于带外阻塞会有抑制作用。无论是带内还是带外,阻塞信号通常是点频信号,没有调制。事实上,在现实世界中,几乎没有纯粹的点频信号,工程上常将其简化为点频以(近似地)代替各种窄带干扰信号。
要解决阻塞问题,主要涉及射频输出,也就是提高接收机的第三次互调点(IIP3),扩大动态范围。对于带外阻塞,滤波器的抑制效果也非常重要。
9.2 AM抑制
AM抑制是GSM系统特有的指标。从描述上看,干扰信号与GSM信号类似,都是TDMA信号,与有用信号同步,并具有固定的延迟。
这种情况模拟了GSM系统中邻近小区的信号。从对干扰信号频偏要求大于6MHz(GSM带宽为200kHz)的要求来看,这是一种典型的邻近小区信号配置。因此,我们可以认为AM抑制反映了GSM系统在实际工作中对邻近小区干扰的容忍度。
9.3、邻信道抑制(Adjacent Channel Selectivity)
在蜂窝通信系统中,除了考虑同频小区的组网,还需要考虑邻频小区的影响。这是因为发射机的频谱再生会有很强的信号落到相邻频率中,而且这种频谱再生与发射信号具有相关性,可能会被同制式的接收机误认为是有效信号进行解调。
举个例子,如果两个相邻小区A和B恰好是邻频小区(通常会避免这种组网方式,这里只是为了说明一个极限场景),当一个注册到A小区的终端在两个小区的交界处游走并且两个小区的信号强度还没有达到切换门限时,终端仍与A小区保持连接。如果B小区基站发射机的ACPR较高,则终端接收频带内会有较高的B小区ACPR分量,与A小区的有用信号在频率上重叠。由于此时终端距离A小区基站较远,接收到的A小区有用信号强度也很低,因此B小区ACPR分量进入到终端接收机时就可以对原有用信号造成同频干扰。
需要注意的是,邻道选择性是指接收机在接收有用信号的同时,能够抑制邻近信道的干扰信号。在蜂窝通信协议中,“发射机频谱泄漏(再生)”与“接收机邻道选择性”是成对定义的。
9.4、同信道抑制(Co-Channel Suppression)
同信道抑制描述的是绝对的同频干扰,通常是指两个同频小区之间的干扰模式。按照组网的规则,两个同频小区的距离应该尽量远,但即使再远,也会有信号彼此泄漏,只是强度的高低区别。对于终端而言,两个小区的信号都可以认为是“正确的有用信号”(当然协议层上有一组接入规范来防范这种误接入),衡量终端的接收机能否避免“西风压倒东风”,就看它的同频选择性。
9.5、总结
阻塞是“大信号干扰小信号”,RF仍有周旋余地。而以上的AM Suppression、Adjacent (Co/Alternative) Channel Suppression (Selectivity)这些指标是“小信号干扰大信号”,纯RF的工作意义不大,还是靠物理层算法为主。
单音抑制是CDMA系统独有的指标。它具有一个特点:作为干扰信号的单音是带内信号,而且距离有用信号很近。这样就有可能产生两种信号落到接收频域内:第一种是由于LO的近端相噪,LO与有用信号混频形成的基带信号和LO相噪与干扰信号混频形成的信号都会落到接收机基带滤波器的范围之内,前者是有用的信号而后者是干扰;第二种是由于接收机系统中的非线性,有用信号(有一定带宽,譬如1.2288MHz的CDMA信号)可能与干扰信号在非线性器件上产生交调,而交调产物有可能同样落在接收频域之内成为干扰。
单音抑制的起源是北美在发起CDMA系统时,与原有的模拟通信系统AMPS采用了同一频段,两张网长期共存,作为后来者的CDMA系统必须考虑AMPS系统对自身的干扰。
到这里我想起被称为“通则不动,动则不通”的小灵通。因为长期占用1900~1920MHz频率,所以天朝TD-SCDMA/TD-LTE B39的实施一直是在B39的低段1880~1900MHz,直到小灵通退网为止。
教科书对阻塞的解释比较简单:大信号进入接收机放大器使得放大器进入非线性区,实际增益变小(对有用信号的)。
10、动态范围、温度补偿与功率控制
在RF设计中,动态范围、温度补偿和功率控制是非常重要的指标,尽管它们在大多数情况下并不容易观察到。这些指标体现了RF设计中最精细的部分。
10.1 发射机动态范围
发射机的动态范围表示在不损害其他发射指标的前提下,可以达到的最大和最小发射功率。
在这里,“不损害其他发射指标”是一个相当宽泛的概念。如果我们主要考虑其中的影响,可以理解为在最大发射功率下不会影响发射机的线性度,并且在最小发射功率下确保输出信号的信噪比。
在最大发射功率下,发射机的输出往往接近各级有源器件(特别是末级放大器)的非线性区域。常见的非线性表现形式包括频谱泄漏和再生(ACLR/ACPR/SEM),以及调制误差(PhaseError/EVM)。此时,主要受到影响的通常是发射机的线性度。
在最小发射功率下,发射机的输出有用信号接近发射机噪声底部,甚至有被“淹没”在发射机噪声中的风险。此时需要确保输出信号的信噪比(SNR),换句话说,就是在最小发射功率下发射机噪声底越低越好。
曾经在实验室遇到过这样一种情况:有工程师在测试ACLR时发现,随着输出功率降低,ACLR反而变差(正常情况下,ACLR应该随着输出功率降低而改善)。起初怀疑是仪器出了问题,但更换了一台仪器测试结果仍然如此。我们建议测试低输出功率下的EVM,结果发现EVM性能非常差。我们判断可能是RF链路入口处的噪声底非常高,对应的SNR非常差,导致ACLR的主要成分不再是放大器的频谱再生,而是通过放大器链路放大的基带噪声。
10.2、接收机动态范围
接收机动态范围其实与之前我们讲过的两个指标有关,第一个是参考灵敏度,第二个是接收机IIP3(在讲干扰指标的时候多次提到)。
参考灵敏度实际上表征的就是接收机能够识别的最小信号强度,这里不再赘述。我们主要谈一下接收机的最大接收电平。
最大接收电平是指接收机在不发生失真情况下能够接收的最大信号。这种失真可能发生在接收机的任何一级,从前级LNA到接收机ADC。对于前级LNA,我们唯一可做的就是尽量提高IIP3,使其可以承受更高的输入功率;对于后面逐级器件,接收机则采用了AGC(自动增益控制)来确保有用信号落在器件的输入动态范围之内。简单的说就是有一个负反馈环路:检测接收信号强度(过低/过高)-调整放大器增益(调高/调低)-放大器输出信号确保落在下一级器件的输入动态范围之内。
这里我们讲一个例外:多数手机接收机的前级LNA本身就带有AGC功能,如果你仔细研究它们的datasheet,会发现前级LNA会提供几个可变增益段,每个增益段有其对应的噪声系数,一般来讲增益越高、噪声系数越低。这是一种简化的设计,其设计思想在于:接收机RF链路的目标是将输入到接收机ADC的有用信号保持在动态范围之内,且保持SNR高于解调门限(并不苛求SNR越高越好,而是"够用就行",这是一种很聪明的做法)。因此当输入信号很大时,前级LNA降低增益、损失NF、同时提高IIP3;当输入信号小时,前级LNA提高增益、减小NF、同时降低IIP3。
10.3、调制谱与切换谱
在GSM全球移动通信系统中,调制谱和切换谱扮演着类似邻道泄漏比(ACLR)的角色,但它们的测量带宽并不是GSM信号的占用带宽。
从定义上看,调制谱衡量了同步系统之间的干扰,而切换谱则衡量了非同步系统之间的干扰(如果不对信号进行门控,切换谱通常会淹没调制谱)。这涉及到一个概念:在GSM系统中,各小区之间是不同步的,尽管它使用的是TDMA技术。相比之下,TD-SCDMA和之后的TD-LTE系统中的小区是同步的。由于小区之间的不同步,A小区的上升沿/下降沿功率泄漏可能落到B小区的有效载荷部分,因此我们使用切换谱来衡量发射机对邻近信道的干扰。而在整个577微秒的GSM时隙中,上升沿/下降沿的时间很少,大部分时间两个相邻小区的有效载荷部分会在时间上重叠,因此评估发射机对邻近信道的干扰时可以参考调制谱。
11、SEM(频谱辐射掩码)
SEM是一个用于衡量发射机带内频谱泄漏的"带内指标",与杂散辐射区分开来。后者在广义上包含了SEM,但更关注的是发射机工作频段之外的频谱泄漏,主要从电磁兼容性(EMC)的角度考虑。
SEM提供了一个"频谱模板",在测量发射机带内频谱泄漏时,检查是否存在超过模板限值的点。
虽然SEM与ACLR有关系,但又不完全相同。ACLR考虑了泄漏到邻近信道中的平均功率,所以以信道带宽为测量带宽,体现了发射机在邻近信道内的"噪声底"。而SEM反映的是以较小的测量带宽(通常为100kHz到1MHz)捕捉到的邻近频段内的超标点,体现的是基于"噪声底"的杂散发射。
通过频谱分析仪扫描SEM,我们可以看到邻近信道上的杂散点普遍高于ACLR均值。因此,如果ACLR指标本身没有余量,SEM很容易超标。反之,SEM超标并不一定意味着ACLR不良。常见情况是如果杂散点中存在本振的干扰或某个时钟与本振调制分量(通常带宽很窄,类似点频)串入发射机链路,即使ACLR很好,SEM也可能超标。
12、EVM(误差矢量)
EVM是一个矢量值,表示实际信号与理想信号之间的误差。它包含幅度和角度两个方面,可以有效地衡量发射信号的质量。当实际信号与理想信号之间的距离越大,误差就越大,EVM的数值也就越大。
13、为什么发射信号的信噪比并不重要
首先,发射信号的信噪比往往远高于接收机解调所需要的信噪比。
其次,在计算接收灵敏度时,我们考虑的是接收机处于最恶劣情况下的性能。即使在经过大幅度空间衰落后,发射机的噪声已经被自然噪声淹没,同时有用信号也被衰减到接收机的解调门限附近。
然而,在某些情况下,发射机的固有信噪比仍然需要考虑,特别是在近距离无线通信中,如802.11系列。
例如,当802.11演进至802.11ac时,引入了256QAM调制。对于接收机而言,即使不考虑空间衰落,解调这种高阶正交调制信号也需要较高的信噪比。EVM越差,信噪比越低,解调难度就越大。
对于从事802.11系统的工程师来说,通常使用EVM来衡量发射机的线性度。而对于从事3GPP系统的工程师来说,他们更喜欢使用ACLR/ACPR/Spectrum等指标来评估发射机的线性性能。
从起源的角度来看,3GPP是蜂窝通信的演进路径,一开始就必须关注邻近信道和相邻信道的干扰。换句话说,干扰是影响蜂窝通信速率的主要障碍。因此,在演进过程中,3GPP始终以“最小化干扰”为目标。例如,GSM时代的跳频、UMTS时代的扩频以及LTE时代引入的RB概念都是为了实现这一目标。
而802.11系统是固定无线接入的演进,它遵循TCP/IP协议精神,以提供“尽可能高的服务质量”为目标。802.11经常采用时分或者跳频等手段来实现多用户共存,并且网络布局灵活(主要用于局域网),信道宽度也可以灵活调整。总的来说,对于干扰,802.11系统不太敏感(或者容忍度较高)。
14、EVM与ACPR/ACLR的关系
EVM(误码率)与ACPR/ACLR(临近信道功率比)之间的定量关系很难定义。从放大器的非线性角度来看,EVM与ACPR/ACLR通常是正相关的:放大器的AM-AM和AM-PM失真会增加EVM,并且也是ACPR/ACLR的主要来源。
然而,并不是所有情况下EVM与ACPR/ACLR都是正相关的。一个典型的例子是在数字中频中常见的Clipping(削峰)技术。Clipping通过降低发射信号的峰均比(PAR)来减小峰值功率,有助于降低经过功放后的ACPR/ACLR。
然而,Clipping同时也会损害EVM。无论是使用限幅(加窗)还是滤波器方法,都会对信号波形造成损伤,从而增加EVM的值。因此,在这种情况下,虽然ACPR/ACLR可能改善了,但EVM却会增加。