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1、LTE EVM的定義及其通過射頻濾波器S參數(shù)進行估算：
LTE信號的EVM（誤差矢量幅度）定義為：復(fù)雜傳輸數(shù)據(jù)符號與理想?yún)⒖挤栔g的差的幅度，該差值被理想?yún)⒖夹盘枤w一化，并在1毫秒的子幀上進行平均。
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信號的EVM是在稱為資源塊的180kHz間隔內(nèi)測量的。資源塊的數(shù)量取決于LTE載波的帶寬。例如，1.4MHz的LTE信號包含6個資源塊，而20 MHz的LTE信號則包含100個資源塊。
LTE信號的總EVM是根據(jù)3GPP TS 36.104，附件E.7 [1]進行計算的：
其中：
EVM 表示LTE信號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個資源塊上測量的EVM。
N 表示LTE信號中的資源塊數(shù)量。
在濾波器設(shè)計過程中，為了能夠計算濾波器的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Pimingsdorfer等人[2]描述的方法進行改進來實現(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來估算其對EVM的貢獻。
使用這種方法，第i個資源塊的EVM可以按如下方式計算：
其中：
Δα 表示濾波器通帶內(nèi)第 i 個資源塊的有效幅度波動，定義為濾波器插入損耗相對于其均方根（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 個資源塊的有效相位波動，定義為濾波器相位響應(yīng)相對于理想線性（最小二乘）相位響應(yīng)的均方根偏差。
然后，根據(jù)方程 1，計算所有資源塊EVM的均方根值來確定總EVM。
1.3、對射頻濾波器設(shè)計的啟示
當(dāng)將方程1和方程2應(yīng)用于測量或模擬的濾波器S參數(shù)時，可以迅速發(fā)現(xiàn)，射頻濾波對LTE系統(tǒng)EVM（誤差矢量幅度）性能的影響在實際應(yīng)用中幾乎可以忽略不計。
這是因為資源塊的帶寬相對于典型射頻濾波器的帶寬來說非常小。因此，在一個資源塊內(nèi)觀察到的幅度和相位失真量往往很小。這會導(dǎo)致總EVM值非常低（通常低于0.5%），即使對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)測的準(zhǔn)確性。
2、測量濾波器引起的EVM上升的測試平臺：
2.1、設(shè)備設(shè)置
為了評估射頻濾波對LTE信號EVM（誤差矢量幅度）水平的影響，我們對一種常見于蜂窩基站（Node B）前端的帶通濾波器進行了一系列實驗室測量。所使用的設(shè)備設(shè)置的方框圖如圖1所示。
圖1 – LTE EVM測試平臺的方框圖。
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）的信號工作室（Signal Studio）波形生成軟件，在筆記本電腦上創(chuàng)建了一個符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的LTE信號。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。
然后，將生成的LTE波形下載到安捷倫N5182B MXG矢量信號發(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。
被測設(shè)備（DUT）處理后的LTE信號由配備有LTE測量選項的安捷倫N9020B頻譜分析儀進行測量。這使得能夠分析并以多種格式顯示接收信號的EVM（誤差矢量幅度）。對于本次調(diào)查而言，在大多數(shù)情況下，用%rms表示的簡單總EVM值就足夠了。
2.2、測試平臺的殘余EVM
在測試過程中發(fā)現(xiàn)，測試平臺本身具有一個雖小但顯著的殘余EVM水平，該水平通常取決于信號帶寬、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^將信號發(fā)生器的射頻輸出直接電纜連接到信號分析儀的射頻輸入來測量這一殘余EVM。
為了防止測試平臺的殘余EVM（誤差矢量幅度）對被測設(shè)備（DUT）的測量結(jié)果引入誤差，我們在每個感興趣的頻率、功率電平、信號帶寬和調(diào)制方案下都測量了殘余EVM。然后，從DUT后續(xù)的所有EVM測量值中減去這些殘余值。因此，本報告中呈現(xiàn)的EVM結(jié)果實際上是“EVM上升”結(jié)果，即從殘余水平開始的EVM變化。
測試平臺殘余EVM的典型截圖如圖2所示。它顯示了在一個具有10MHz帶寬且所有子載波采用64QAM調(diào)制的LTE下行鏈路信號中，每個50個資源塊的測量EVM。如第1.1節(jié)所述，總殘余EVM就是各個資源塊EVM的均方根（rms）值。
圖2 – LTE測試平臺對于10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE下行鏈路信號的殘余誤差矢量幅度（EVM）。
2.3、測試平臺的動態(tài)范圍
LTE測試平臺的一個限制是，安捷倫矢量信號分析儀只能在相對較小的信號功率范圍內(nèi)測量EVM（誤差矢量幅度），而不會對測試設(shè)置的殘余EVM產(chǎn)生不利影響。
例如，對于采用64QAM子載波調(diào)制的10MHz LTE下行鏈路信號，在載波功率為0 dBm時，測試平臺的殘余EVM為0.53%。相比之下，在載波功率為-30 dBm時，相同信號的殘余EVM達到了7.8%。低于此功率水平時，殘余EVM變得更差，且每次測量之間的變化更大。這使得無法區(qū)分被測設(shè)備對整體系統(tǒng)EVM的貢獻。
信號分析儀的動態(tài)范圍較低，這可能是因為其主要用途是作為發(fā)射機測試儀，用于在通過無線鏈路傳輸之前評估LTE信號的質(zhì)量。它并不是為了模擬實際LTE接收機的低噪聲系數(shù)和高靈敏度而設(shè)計的。因此，本報告中的大多數(shù)結(jié)果都是在功率水平約為0dBm時獲得的（除非另有說明），因為在該功率水平下，測試平臺的殘余EVM最低。
2.4、被測設(shè)備（DUT）
為了評估射頻濾波對誤差矢量幅度（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幅度、相位和/或群時延隨頻率的變化。
本次研究中選擇的被測設(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)測量的，因為在這個位置，幅度、相位和群時延的變化最大。
插損和回波損耗：
回波損耗和群時延：
圖3 – 頻率響應(yīng)圖：用于LTE誤差矢量幅度（EVM）測試的濾波器。
表1 – LTE EVM測試中濾波器最壞情況下的線性失真測量結(jié)果。
3、矢量信號分析儀截圖：
3.1、LTE下行鏈路測試信號
圖4展示了一個典型的LTE下行鏈路信號的頻譜。該信號具有10MHz的帶寬，并且所有子載波上都采用了64QAM調(diào)制。此截圖是在被測設(shè)備（DUT）未在場的情況下拍攝的，使用的是從信號發(fā)生器到信號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下行鏈路信號的頻譜。
圖5展示了上述信號的互補累積分布函數(shù)（CCDF）。該信號的統(tǒng)計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下行鏈路信號的互補累積分布函數(shù)（CCDF）。
3.2、LTE下行鏈路結(jié)果界面
圖6展示了矢量信號分析儀結(jié)果界面的截圖。該截圖顯示了LTE下行鏈路信號通過被測設(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下行鏈路信號對被測設(shè)備（DUT）進行誤差矢量幅度（EVM）測試的結(jié)果。
上述截圖的左上角區(qū)域是接收到的LTE信號的復(fù)合星座圖。它包含了幾百個不同的64QAM星座圖，這些星座圖代表了用戶數(shù)據(jù)符號，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載波中每種信號的EVM、相對功率電平和調(diào)制格式。
左下角區(qū)域顯示了接收到的LTE信號的射頻頻譜和總功率。
右下角區(qū)域是錯誤摘要窗口，顯示了接收信號中的各種錯誤類型以及接收器使用的校正因子。對于本次調(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信號中每種類型子載波的EVM。
3.3、LTE上行鏈路測試信號
圖7展示了一個典型的LTE上行鏈路信號的射頻頻譜。該信號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設(shè)備（DUT）的情況下，通過信號發(fā)生器與信號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上行鏈路信號的射頻頻譜。
圖8展示了上行鏈路信號的互補累積分布函數(shù)（CCDF）。上行鏈路信號的峰值平均功率比（PAR）僅為8.7 dB，相比之下，下行鏈路信號達到了11.1 dB。這是因為LTE上行鏈路采用了單載波頻分多址（SC-FDMA）調(diào)制，其設(shè)計目的是降低發(fā)射信號的PAR，以提高功率放大器的效率，從而延長手機電池的使用壽命。
圖8 - 10 MHz帶寬和64QAM子載波調(diào)制的LTE上行鏈路信號的互補累積分布函數(shù)（CCDF）。
3.4、LTE上行鏈路結(jié)果界面
圖6展示了矢量信號分析儀結(jié)果界面的截圖。該截圖顯示了LTE上行鏈路信號通過被測設(shè)備（DUT）后的關(guān)鍵特性。盡管為了處理上行鏈路信號，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。
請注意，盡管只有一個用戶在傳輸，但星座圖仍然是復(fù)合星座圖，其中包含數(shù)十個甚至數(shù)百個單獨的星座圖相互疊加。這是因為盡管是單用戶傳輸，但不同的子載波上仍然同時發(fā)送了多個數(shù)據(jù)符號。
圖9 - 使用10 MHz帶寬和64QAM調(diào)制的LTE上行鏈路信號對被測設(shè)備（DUT）進行誤差矢量幅度（EVM）測試的結(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信道估計過程確定的被測設(shè)備（DUT）的幅度、相位和群延遲特性。
信道估計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，并確定無線信道的頻率響應(yīng)。
這一過程的主要動機是為了對抗城市環(huán)境中多徑衰落的影響。然而，它對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)的信道估計功能。
圖10 - 由LTE均衡器確定的被測設(shè)備（DUT）的頻率響應(yīng)。
本篇文章主要介紹整個EVM的概念，測試系統(tǒng)的搭建以及LTE鏈路測試信號測試結(jié)果，下篇文章繼續(xù)介紹射頻濾波器對LTE信號的影響
參考文獻：
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.
