使用实时频谱分析仪调试和检定宽带RF系统

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引言

无线设备的迅猛增长及人们对更高数据速率的无限需求给射频(RF)频谱带来了重大的压力。随着对RF器件和系统的带宽要求不断提高，可利用的频谱已经成为一个严峻的挑战。系统设计和操作人员必须尽可能高效地利用每赫兹的RF频谱，同时还必须特别注意，避免干扰比以前距离更近、更流行的信号。当然，所有这些都必须尽快、以最低的资本开支实现，这给工程设计带来了典型的两难困境。

这些相互矛盾的要求正推动着射频RF通信领域进行重大创新。数字信号处理的最新发展与模数转换(ADC)和数模转换(DAC)技术进步相结合，产生了新一代的网络和系统。现在，可以使用数字控制环路控制RF频谱失真，其频谱性能和效率与模拟技术相比要高得多。在技术允许的情况下，沿着RF链向上推进数字电路，实现了成本优势，提高了制造效率。昨天的窄带、单载波、三重转换系统正被数字信号处理(DSP)和DAC实现的宽带多载波发射机所代替，这些技术为RF放大器生成直接IF、甚至生成直接RF输出。现在，波形已经以数字方式进行预失真，以实现最大效率和严格的频谱控制。

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应用指南

发送方框图 接收方框图

基带发射-DSP

基带接收-DSP

RF/IF滤波器，用于杂散辐射和干扰控制

频谱整形滤波器，用于频谱控制。这种滤波器组合在RTSA上称为系统滤波器或参考滤波器。可以选择滤波器对，以使码间干扰达到最小

数据编码，符号映射，I-Q发生

在RTSA上的信道滤波器

图1. 在测量矢量信号参数时，RTSA必须在Tx/Rx对中作为接收机使用。尽管其优点有目共睹，但这些新型RF系统和技术也给调试和检验系统的设计工程师和系统操作人员带来了新的挑战。调试RF设计现在要求能够从DSP生成的基带到宽带数字调制RF输出跟踪信号。这些数字生成的RF信号产生了新的瞬变问题，而前几代RF测试设备是不能发现、触发和测量这些瞬变问题的。此外，优化宽带系统、特别是在发送链中使用数字预失真(DPD)的系统，要求创建预失真的波形。这就要求信号分析仪不仅能够以矢量方式捕获发送带宽，还要实现高保真度捕获，其是发送带宽的3-5倍。

本应用指南考察了现代RF系统的特点，演示了怎样使用泰克RSA6100A系列实时频谱分析仪(RTSAs)调试和检定这些系统。我们将介绍发射机的基本矢量和频谱测量、调试高带宽系统及检定宽带DPD系统。

检定数字调制信号：常用测量和测量相关

矢量测量

在使用RTSA测量被调制信号的矢量参数时，测试设备作为发送/接收(Tx/Rx)对中的接收机操作。图1说明了通用Tx/Rx链的组成部分及RTSA代替Rx功能所发挥的作用。

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接收链从调节到接收频率的低噪声RF放大器开始。对许多实验室测量来说，RTSA中并不需要放大器，因为发射机直接连接到测试仪器上，信号并不通过空中传输。在空中测量中，RSA6100A系列提供了一个内置前置放大器，为直到3 GHz的小信号提供30 dB的增益。在图1中，接收机的混频器和ADC被代以RTSA的混频器链和ADC。尽管RTSA包含一个用于杂散辐射和干扰信号控制的中频(IF)滤波器，但其带宽就是仪器的捕获带宽，可能包含测量中有不想要的信号。

\"系统滤波器\"或\"参考滤波器\"是Tx/Rx链中的频谱整形滤波器组合(参见表1)。它代表着整个链条的理想频谱形状，但它可以在发射机和接收机之间分开。例如，升余弦系统滤波器可以分成在发射机和接收机中都使用根升余弦(RRC)。这使得发射机能够实现希望的频谱形状，同时为接收机提供某种抑制杂散辐射信号的手段。通过使用奈奎斯特滤波器，如一对根升余弦（RRC）滤波器，在系统中就不会产生码间干扰(ISI)。

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应用指南

系统发送滤波器接收滤波器(参考滤波器)(测量)升余弦升余弦无(3GPP), 升余弦升余弦根升余弦根(3GPP2), IS-95定义IS-95发送滤波器IS-95接收滤波器(同等)(GSM), 高斯高斯无 表1. 常用的系统滤波器及其组成部分。RTSA的参考滤波器与Tx-Rx对的系统滤波器类似，RTSA的测量滤波器设置成等于系统的Rx滤波器。对数字调制信号进行矢量测量要求传输完全相同的数据

流，也就是说，必须把进入信号与相同调制类型的理想信号进行比较。为此，信号分析仪必需知道、并能够复现信号的调制参数，包括：-频率-符号速率-调制类型-发送/接收滤波器-发送的符号值

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测量指标频率误差矢量幅度误差(EVM)幅度误差相位误差原点偏置增益失衡正交误差Rho (ρ)定义信号测得的载波频率与用户设置的分析仪中心频率之间的频率差测得的信号与分析长度上理想的参考信号之间的误差矢量归一化的RMS值。EVM通常在符号或码片上测得，可以用百分比或dB为单位表示。EVM通常在频率误差最佳拟合估算后测得，其中已经去掉了固定的相位偏置。其在分析长度上进行这些估算测得信号与参考信号幅度之间的RMS幅度差测得的信号与理想的参考信号之间的RMS相位差在符号时间上测得的信号的DC偏置的幅度。它表明了载波馈通信号的幅度信号生成路径中I通道和Q通道之间的增益差。增益失衡的星座图会显示宽度与高度不同的图形I通道和Q通道之间的正交误差。这一误差显示了I通道Q通道之间偏离完美I/Q调制预计理想90度的相位差。具有正交误差的星座图会显示I部分泄漏到Q中，反之亦然测得信号与理想参考信号归一化后的相关功率。与EVM一样，Rho是衡量调制质量的指标。在实践中，Rho的值小于1；在理想接收机中的理想信号测得值等于1 表2. 矢量测量指标定义摘要4 www.tektronix.com/rsa

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信号分析仪必须构建理想信号或参考信号，以便把测量的信号与其比较，确定误差。可以使用两种方法创建参考信号。第一种方法是测量仪器在捕获和解调信号前已知发送的数据，其优点是对任何重建数据都不依赖信号，但在发送的数据未知时不能使用这种方法。由于在解调前很难知道发送的数据，因此大多数分析仪使用第二种方法，从要分析的信号中提取发送的数据，然后根

据解调的数据符号创建参考信号。第二种方法的优点是只要知道基本调制参考，那么就可以评估具有随机数据或未知数据的信号；然而，如果进入的信号包含极高的失真，构建参考信号中恢复和使用的数据符号会损坏，导致符号表误差及低估矢量误差。

一旦已经解调信号，并构建了参考信号，就可以执行矢量测量。表2和图2分别定义和显示了这些测量指标。

图2. RSA6100A系列进行的矢量测量实例，包括EVM, 幅度误差, 相位误差, 原点偏置, 增益失衡和rho。其它面板显示了幅度随时间变化、EVM随时间变化及相同时间周期的星座图。www.tektronix.com/rsa 5

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峰值均值比和互补累积分布函数

现代发射机使用完善的技术，放大器信号的峰值均值比(PAR)，以优化输出失真和放大器效率。但是，使用的测量方法对测量结果有着明显影响。

PAR是在规定时间内信号的峰值功率与平均功率之比。互补累积分布函数(CCDF)是一个统计特性值，它在图形的X轴上绘制功率电平，在Y轴上绘制概率。CCDF曲线上的每个点都显示信号在一定功率电平或在一定功率电平之上的时间所占的百分比。功率电平用相对于平均信号功率电平的dB表示(参见图3)。

RSA6100A系列和某些其它信号分析仪中采用的技术是在一段时间中执行PAR和CCDF测量。这种方法的优点是它提供了与其它测量相关的结果，最适合确定信号PAR对被测器件(DUT)的其它信号质量的影响。

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上述方法不同于大多数传统频谱分析仪采用的方法，传统频谱分析仪通过在零跨度中对波形取样来进行测量。测量数据在取样前通过传统频谱分析仪的中频滤波器分辨率带宽。当取样时间足够长时，能够获得所有波形峰均值，这种方法在统计上是有效的。它还有一个优点，是能够在无限大的时间周期内监测信号。由于频谱分析仪在进行CCDF测量时必须处于零跨度，因此这些仪器进行的CCDF测量与用户可能希望的任何其它测量无关。

RTSA同时提供了上面两种分析方法。图3是相关方法，其中执行了CCDF测量，显示了一个“外露的”幅度瞬变。从时间对幅度及EVM对时间图中都可以看到，这个信号在每10,000个符号中出现一次这个峰值，并以0.01%概率与CCDF图中的异常峰值相关。这个瞬变代表着数字系统计算溢出导致的幅度峰值类型。

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图3. 从幅度对时间、EVM对时间和CCDF图中可以看，幅度峰值以0.01%概率发生。CCDF图上的洋红色轨迹(右下方)是一条高斯参考曲线，黄色CCDF是从捕获的波形中测得的。www.tektronix.com/rsa 7

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邻道功率比和邻道泄漏比

邻道功率比(ACPR)和邻道泄漏比(ACLR)一般可以互换使用，它们之间的差异很小。ACPR用来描述与发送通道相邻的通道中的功率电平，而不考虑相关通信系统中可能使用的任何接收滤波器。ACLR是一个比较新的术语，它考虑了相关系统中使用的接收机滤波器。ACPR一般用于3GPP2系统中，其在通道带宽和邻道带宽上对功率同等积分。在3GPP系统中，使用α=0.22的RRC接收滤波器，计算通道功率和邻道功率。在本应用指南中，我们将使用ACLR的一般惯例，因为接收滤波器形状可能是矩形，产生了传统的ACPR值。

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实时ACLR

RSA6100A系列ACLR测量方法不同于扫描技术。最大捕获带宽是110 MHz，在连续时间内对所有信道进行计算。在信号数字化后，以数学方式执行分辨率带宽、通道带宽和接收机滤波。RTSA中的ACLR测量与其它域中的测量没有差别; 它只是在捕获的信号上进行另一次数学计算。

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图4. CCDF、ACLR和时域相关。ACLR测量及与其它域相关

RTSA的ACLR测量与其它域和测量相关，从而可以直接比较ACLR与其它指标，如CCDF或峰值均值比。执行这些测量的传统技术要求在分开单独采集或多次采集数据，因此比较结果的准确性较差。

图4是使用RTSA进行多域分析的实例。它使用与ACLR测量相同的数据计算信号的CCDF和PAR，其在时间域中显示了分析周期。在本例中，时域中看到的幅度尖峰生成了CCDF图中的低概率、高PAR，导致了ACLR测量中看到的小频域瞬变。

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数字I数字Q

PAR限定器+线性化器

输出信号取样

图5. 具有数字预失真的代表性发射机。数字预失真检定

现代发射机方框图

不管是高功率卫星地面站、还是多载波蜂窝基站、甚至是低功率移动系统，现代发射机都采用各种预失真技术，降低通道外干扰，优化运行效率。降低失真最流行的方法是适应性数字预失真。这种方法使用发射机输出取样，计算误差矢量，生成校正系数，然后使用校正系数使进入信号预失真。为降低模拟电路失真，链条中的信号要在尽可能长的时间内保持数字格式。

图5显示了从输出耦合、下变频及数字化的小信号。然后使用这个数字化的样点，馈送到数字信号处理电路中，数字信号处理电路分析信号中存在的非线性度。然后使用这些非线性系数，改变进入发送链的同相(I)和正交(Q)信号。从发送链中可以看出，这个信号现在已经预失真、并应用了PAR缩减，在由DAC转回到模拟信号后馈送到放大器。得到的输出信号降低了频谱失真，其ACLR低于没有采用预失真技术的信号。

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任意波形发生器

预失真的I-Q波形

工作站

来自Tx输出的I-Q波形

RTSA

工作站计算波形和失真系数

图6. 数字预失真开发系统.调试和检定挑战

上述场景产生了传统模拟系统中没有见过的各种调试挑战。ADC和DAC、或发送路径中模拟转换之前在信号上执行的DSP，可能会给发送链引入数字假信号。这些假信号往往具有瞬变特点，使用传统频谱分析仪很难或不可能捕获这些假信号。它们可能很少发生，可能会在邻道和间隔通道中引起频域响应。有效调试瞬时频域信号不仅要求发现问题，还要求能够触发问题进行分析。检定这些系统也带来了新的挑战。在开发阶段，可以在信号发射之前，测试和优化各种预失真和降低PAR的

方法。通常必须使用测试设备，捕获反馈路径中的信号，在提供完成的硬件(ASIC或FPGA)之前在脱机软件中计算新的非线性失真系数。然后对初始I和Q信号应用这些系数，把结果输入到任意波形发生器(AWGs)中，测试其性能。

图6显示了这类开发系统的常用配置。AWG代替了I和Q信号和DAC，校正环路下变频器和ADC被代以RTSA。然后，来自RTSA的I和Q矢量被发送到脱机处理器中，在脱机处理器中则应用预失真和PAR降低技术。

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系统类型单载波载波数量,通道带宽间隔3GPP2 cdma20001.2288 MHz12, 1.25 MHz3GPP W-CDMA3.84 MHz4, 5 MHz宽带卫星85 MHz1, 不适用建议的4G系统98-105 MHz1, 不适用 表3. 宽带系统类型和特点采用的AWG必须拥有充足的分辨率、带宽和内存深度，代替发送链中使用的数字系统。泰克生产各种AWG，满足了一系列要求。

采用的RTSA必须为应用提供充足的频率范围、捕获带宽、捕获保真度和内存深度。捕获带宽必须能够数字化至少三倍的发送带宽，保证捕获三阶失真产物。许多系统现在使用五阶失真产物计算预失真系数，在这种情况下，RTSA的捕获带宽必须足以采集这些产物。表3列出了部分系统的带宽要求。

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多载波三阶DPO五阶DPO发送带宽检定带宽检定带宽15 MHz4575 MHz20 MHz60 MHz100 MHz85 MHz255 MHz420 MHz高达105 MHz305 MHz高达525 MHz在捕获失真产物时，测试仪器在幅度和相位的信号保真度都至关重要。对所有泰克实时频谱分析仪，可以在各自的产品资料中找到其幅度-相位线性度和失真特点，以便与您的要求进行比较。

在开发过程中捕获的信号可能包含非常长的一串专用数据，以期通过创建最坏情况操作场景，测试放大器极限。这些序列可以长1秒或1秒以上，具体视设计要求而定。在110 MHz的最大捕获带宽时，RSA6100A系列能够捕获最长1.7秒的I和Q数据。在降低捕获带宽时，可以实现更长的捕获时间。

捕获长记录长度允许用户考察设备对实际环境信号的响应性能。能够捕获许多数据包非常有用，特别是在其与PAR变化相关时，包括变化的调制类型、激活信道数量及变化的功率电平。

一旦捕获了数据，必须把数据从RTSA传送到分析和校正使用的计算机上。RSA6100A系列采用1 Gb/s以太网连接传送数据，可以通过以太网连接直接发送GPIB命令。用户也可以把数据存储在RSA6100A系列的内置DVD±RW中，进行存档和“人工后备网”数据传送。可以使用逗号分隔的变量(CSV)格式导出数据，简便地导入到脱机分析软件包中，如MatlabTM

和ExcelTM

。

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调试

找到问题的过程由三个步骤组成：1. 发现问题

2. 触发和捕获错误信号3. 跟踪问题，找到问题来源

其中一个实例是在时域中有一个瞬变信号 (使用AWG模拟) 导致发射频谱扩展，这可能是由于任意数字电路模块中的问题引起的，可能是反馈数字化器、DSP代码、上变频电路中的ADC，或是RF电路中看到的信号延迟和加热效应。这些瞬变发生频次低，并且似乎与系统中的任何时钟异步。

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图7. 3.84 MSymbols/s、每秒重复发生问题两次的QPSK信号的DPXTM频谱图。这些数据是在5秒周期中采集的。发现

发现问题可能是一个棘手的挑战。RSA6100A系列拥有DPXTM频谱处理技术，特别适合完成这一任务。这个频域窗口可以以100%的捕获概率，分析最短24 us的任

何信号时长，保证在屏幕上分析瞬变信号。依赖扫描技术的传统频谱分析仪要求的最低信号时长要比DPX频谱处理技术高1000倍，要么不可能识别问题，要么会耗费非常长的时间。

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图8. 扫频分析仪，在分析5秒的信号之后，捕获概率最优设置下的图形。图7和图8说明了DPX频谱处理和传统扫频分析之间的差别。这里，在输出波形中出现了时长为30 us的问题，每秒发生两次。在DPXTM显示屏上，可以很容易识别这个问题，在5秒的时长上，每次发生问题时都显示在屏幕上。相比之下，扫频分析仪(图8)的扫描速度最

快，捕获概率最优设置下的图形。我们使用Max-hold在屏幕上显示信号，允许仪器扫描5秒钟的时间。很难确定信号是边带还是单个瞬变。使用DPXTM频谱画面(图7)则可以查看每个信号瞬间。

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图9. 频率模板触发捕获每个出现的有问题信号。左边面板中的频谱图显示了三次触发的捕获。在右边面板中，显示了整个事件的峰值检测频谱。红色的频谱是捕获正常调制部分过程中的频谱能量。黄色频谱是一个完整的捕获中的峰值检测结果，包括了导致频谱扩散的瞬变干扰信号触发和捕获

一旦已经识别问题、了解其特点，用户可以设置频率模板触发(FMT)，捕获信号，全面进行分析。通过查看DPXTM显示屏，确定想要的信号所在的位置，并画一个模板，触发在这个区域外面的任何信号，可以简便地实现这一点。现在使用频率模板触发捕获图7中看到的信号实例，如图9所示。

在设置FMT时，用户可以选择捕获数据的时长及触发时刻点。用户还可以定义触发数量。在本例中，FMT设置成触发五次，在每次发生问题时捕获1 ms的数据，它把触时刻点放在每个采集的波形开头附近。

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时域(数字)时域(模拟)

频域

I/Q调制器

数据传送触发器

示波器

触发器

图10. 信号路径中使用示波器、逻辑分析仪和RTSA查找问题。跟踪问题

现在我们已经确定问题发生在RF输出上，这时可以在电路的基带和IF部分使用逻辑分析仪和示波器，跟踪问

题，直到问题来源。可以使用FMT的触发输出，触发任何其它测试设备，帮助定位问题。其它泰克应用指南中更加全面地解释了这些混合信号调试技术。

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总结

由于其宽捕获带宽、长内存和固有的相关测量功能，RTSA为分析和调试宽带宽RF通信系统提供了理想的工具。可以在高达110 MHz的带宽上，以很高的动态范围和低残余EVM进行频谱和矢量测量。所有测量域都是相关的，大大改善了调试能力。新型信号处理结构DPXTM可以在频域中立即分析最短24 us的瞬变，改善了发现瞬时频谱现象的能力。可以使用频率模板触发，可靠地触发频率瞬变，降低调试时间。

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