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无线收发信机:常见RF指标的内在和意义

发 布:2019/6/12 9:42:27查 看:173


这篇文章的初衷是源自给工厂工程师写的一份“操作指南”,按理说写这些东西对于工作了十来年的人来说应该是手到擒来的,但是真正写的时候就发现原本计划提纲挈领的东西写成了冗长无比的八股文。

当你写完“EVM可能随着Front-End的IL增大而恶化”的时候,如果阅读者是一个基础概念知识都不好的工程师(工厂里的工程师很多都是如此),人家第一反应是“EVM是什么”,继而是“EVM是为什么会跟IL有关系”,然后还可能是“EVM还跟什么指标有关系”——这就没完没了了。

所以我这里打算“扯到哪算哪”,把一些常见的概念列举出来,抛砖引玉,然后看看效果如何。

1、Rx Sensitivity(接收灵敏度)

接收灵敏度,这应该是最基本的概念之一,表征的是接收机能够在不超过一定误码率的情况下识别的最低信号强度。这里说误码率,是沿用CS(电路交换)时代的定义作一个通称,在多数情况下,BER (bit error rate)或者PER (packet error rate)会用来考察灵敏度,在LTE时代干脆用吞吐量Throughput来定义——因为LTE干脆没有电路交换的语音信道,但是这也是一个实实在在的进化,因为第一次我们不再使用诸如12.2kbps RMC(参考测量信道,实际代表的是速率12.2kbps的语音编码)这样的“标准化替代品”来衡量灵敏度,而是以用户可以实实在在感受到的吞吐量来定义之。

2、SNR(信噪比)

讲灵敏度的时候我们常常联系到SNR(信噪比,我们一般是讲接收机的解调信噪比),我们把解调信噪比定义为不超过一定误码率的情况下解调器能够解调的信噪比门限(面试的时候经常会有人给你出题,给一串NF、Gain,再告诉你解调门限要你推灵敏度)。那么S和N分别何来?

S即信号Signal,或者称为有用信号;N即噪声Noise,泛指一切不带有有用信息的信号。有用信号一般是通信系统发射机发射出来,噪声的来源则是非常广泛的,最典型的就是那个著名的-174dBm/Hz——自然噪声底,要记住它是一个与通信系统类型无关的量,从某种意义上讲是从热力学推算出来的(所以它跟温度有关);另外要注意的是它实际上是个噪声功率密度(所以有dBm/Hz这个量纲),我们接收多大带宽的信号,就会接受多大带宽的噪声——所以最终的噪声功率是用噪声功率密度对带宽积分得来。

3、TxPower(发射功率)

发射功率的重要性,在于发射机的信号需要经过空间的衰落之后才能到达接收机,那么越高的发射功率意味着越远的通信距离。

那么我们的发射信号要不要讲究SNR?譬如说,我们的发射信号SNR很差,那么到达接收机的信号SNR是不是也很差?

这个牵涉到刚才讲过的概念,自然噪声底。我们假设空间的衰落对信号和噪声都是效果相同的(实际上不是,信号能够通编码抵御衰落而噪声不行)而且是如同衰减器一般作用的,那么我们假设空间衰落-200dB,发射信号带宽1Hz,功率50dBm,信噪比50dB,接收机收到信号的SNR是多少?

接收机收到信号的功率是50-200=-150Bm(带宽1Hz),而发射机的噪声50-50=0dBm通过空间衰落,到达接收机的功率是0-200=-200dBm(带宽1Hz)?这时候这部分噪声早已被“淹没”在-174dBm/Hz的自然噪声底之下了,此时我们计算接收机入口的噪声,只需要考虑-174dBm/Hz的“基本成分”即可。
这在通信系统的绝大部分情况下是适用的。

4、ACLR/ACPR

我们把这些项目放在一起,是因为它们表征的实际上是“发射机噪声”的一部分,只是这些噪声不是在发射信道之内,而是发射机泄漏到临近信道中去的部分,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罢了),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。而且它们有个共同点,对干扰信号的功率计算也是以一个信道带宽为计。这种计量方法表明,这一指标的设计目的,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——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中,ACLR的测试有两种设置,EUTRA和UTRA,前者是描述LTE系统对LTE系统的干扰,后者是考虑LTE系统对UMTS系统的干扰。所以我们可以看到EUTRAACLR的测量带宽是LTE RB的占用带宽,UTRA ACLR的测量带宽是UMTS信号的占用带宽(FDD系统3.84MHz,TDD系统1.28MHz)。换句话说,ACLR/ACPR描述的是一种“对等的”干扰:发射信号的泄漏对同样或者类似的通信系统发生的干扰。

这一定义是有非常重要的实际意义的。实际网络中同小区邻小区还有附近小区经常会有信号泄漏过来,所以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,从来是以“平滑过渡”为目标,即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即是考虑了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

而退回到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)也是扮演了邻道泄漏相似的角色。不同的是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,切换谱一定是会把调制谱淹没掉的)。

这就牵涉到另一个概念:GSM系统中,各小区之间是不同步的,虽然它用的是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)。

因为小区间不同步,所以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,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)

讲SEM的时候,首先要注意它是一个“带内指标”,与spurious emission区分开来,后者在广义上是包含了SEM的,但是着重看的其实是发射机工作频段之外的频谱泄漏,其引入也更多的是从EMC(电磁兼容)的角度。

SEM是提供一个“频谱模版”,然后在测量发射机带内频谱泄漏的时候,看有没有超出模版限值的点。可以说它与ACLR有关系,但是又不相同:ACLR是考虑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,它体现的是发射机在邻近信道内的“噪声底”;SEM反映的是以较小的测量带宽(往往100kHz到1MHz)捕捉在邻近频段内的超标点,体现的是“以噪声底为基础的杂散发射”。

如果用频谱仪扫描SEM,可以看到邻信道上的杂散点会普遍的高出ACLR均值,所以如果ACLR指标本身没有余量,SEM就很容易超标。反之SEM超标并不一定意味着ACLR不良,有一种常见的现象就是有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,这时候即便ACLR很好,SEM也可能超标。

7、EVM(误差矢量)

首先,EVM是一个矢量值,也就是说它有幅度和角度,它衡量的是“实际信号与理想信号的误差”,这个量度可以有效的表达发射信号的“质量”——实际信号的点距离理想信号越远,误差就越大,EVM的模值就越大。

在(一)中我们曾经解释过为什么发射信号的信噪比不是那么重要,原因有二:第一是发射信号的SNR往往远远高于接收机解调所需要的SNR;第二是我们计算接收灵敏度时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,发射机噪声早已淹没在自然噪声底之下,而有用信号也被衰减到接收机的解调门限附近。

但是发射机的“固有信噪比”在某些情况下是需要被考虑的,譬如近距离无线通信,典型的如802.11系列。

802.11系列演进到802.11ac的时候,已经引入了256QAM的调制,对于接收机而言,即便不考虑空间衰落,光是解调这样高阶的正交调制信号就已经需要很高的信噪比,EVM越差,SNR就越差,解调难度就越高。

做802.11系统的工程师,往往用EVM来衡量Tx线性度;而做3GPP系统的工程师,则喜欢用ACLR/ACPR/Spectrum来衡量Tx线性性能。

从起源上讲,3GPP是蜂窝通信的演进道路,从一开始就不得不关注邻信道、隔信道(adjacent channel, alternative channel)的干扰。换句话说,干扰是影响蜂窝通信速率的第一大障碍,所以3GPP在演进的过程中,总是以“干扰最小化”为目标的:GSM时代的跳频,UMTS时代的扩频,LTE时代RB概念的引入,都是如此。

而802.11系统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中经常会有时分或者跳频的手段来实现多用户共存,而布网则比较灵活(毕竟以局域网为主),信道宽度也灵活可变。总的来说它对干扰并不敏感(或者说容忍度比较高)。

通俗的讲,就是蜂窝通信的起源是打电话,打不通电话用户会去电信局砸场子;802.11的起源是局域网,网络不好大概率是先耐着性子等等(其实这时候设备是在作纠错和重传)。

这就决定了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来适应网络环境。

具体说来,“以牺牲速率来适应网络环境”,就是指的802.11系列中以不同的调制阶数来应对传播条件:当接收机发现信号差,就立即通知对面的发射机降低调制阶数,反之亦然。前面提到过,802.11系统中SNR与EVM相关很大,很大程度上EVM降低

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