微信公众号文章：LTE系统中射频滤波器对EVM影响分析(一)

1、LTE EVM的定义及其通过射频滤波器S参数进行估算：

1.1、3GPP对LTE信号EVM的定义

LTE信号的EVM（误差矢量幅度）定义为：复杂传输数据符号与理想参考符号之间的差的幅度，该差值被理想参考信号归一化，并在1毫秒的子帧上进行平均。

上述定义与WCDMA等其他蜂窝标准相似。然而，与这些标准不同的是，LTE信号的EVM是在称为资源块的180kHz间隔内测量的。资源块的数量取决于LTE载波的带宽。例如，1.4MHz的LTE信号包含6个资源块，而20 MHz的LTE信号则包含100个资源块。

LTE信号的总EVM是根据3GPP TS 36.104，附件E.7 [1]进行计算的：

其中：

EVM 表示LTE信号中所有资源块上的均方根误差矢量幅度（rms EVM）。

EVMi 表示在第i个资源块上测量的EVM。

N 表示LTE信号中的资源块数量。

1.2、根据射频滤波器S参数计算EVM

在滤波器设计过程中，为了能够计算滤波器的EVM（误差矢量幅度），以确定其是否满足客户的规格要求，通常是很有必要的。

这可以通过对Pimingsdorfer等人[2]描述的方法进行改进来实现，该方法使得能够根据滤波器的复数传输系数S21来估算其对EVM的贡献。

使用这种方法，第i个资源块的EVM可以按如下方式计算：

其中：

Δα 表示滤波器通带内第 i 个资源块的有效幅度波动，定义为滤波器插入损耗相对于其均方根（rms）插入损耗的均方根偏差，并归一化到均方根插入损耗。

Δø 表示滤波器通带内第 i 个资源块的有效相位波动，定义为滤波器相位响应相对于理想线性（最小二乘）相位响应的均方根偏差。

然后，根据方程 1，计算所有资源块EVM的均方根值来确定总EVM。

1.3、对射频滤波器设计的启示

当将方程1和方程2应用于测量或模拟的滤波器S参数时，可以迅速发现，射频滤波对LTE系统EVM（误差矢量幅度）性能的影响在实际应用中几乎可以忽略不计。

这是因为资源块的带宽相对于典型射频滤波器的带宽来说非常小。因此，在一个资源块内观察到的幅度和相位失真量往往很小。这会导致总EVM值非常低（通常低于0.5%），即使对于具有异常陡峭滚降特性的滤波器也是如此。

以下各节将探讨这一预测的准确性。

2、测量滤波器引起的EVM上升的测试平台：

2.1、设备设置

为了评估射频滤波对LTE信号EVM（误差矢量幅度）水平的影响，我们对一种常见于蜂窝基站（Node B）前端的带通滤波器进行了一系列实验室测量。所使用的设备设置的方框图如图1所示。

图1 – LTE EVM测试平台的方框图。

注：为了清晰起见，图上没有显示10MHz参考电缆和外部触发电缆。

使用是德科技（Keysight）的信号工作室（Signal Studio）波形生成软件，在笔记本电脑上创建了一个符合3GPP标准的LTE信号。这使得能够创建具有多种带宽和基带调制类型（包括QPSK、16QAM和64QAM）的上行链路和下行链路LTE信号。

然后，将生成的LTE波形下载到安捷伦N5182B MXG矢量信号发生器中，该发生器可以根据需要调整频率和功率电平。

被测设备（DUT）处理后的LTE信号由配备有LTE测量选项的安捷伦N9020B频谱分析仪进行测量。这使得能够分析并以多种格式显示接收信号的EVM（误差矢量幅度）。对于本次调查而言，在大多数情况下，用%rms表示的简单总EVM值就足够了。

2.2、测试平台的残余EVM

在测试过程中发现，测试平台本身具有一个虽小但显著的残余EVM水平，该水平通常取决于信号带宽、功率电平和子载波调制类型，典型值为0.7–1.3%rms。可以通过将信号发生器的射频输出直接电缆连接到信号分析仪的射频输入来测量这一残余EVM。

为了防止测试平台的残余EVM（误差矢量幅度）对被测设备（DUT）的测量结果引入误差，我们在每个感兴趣的频率、功率电平、信号带宽和调制方案下都测量了残余EVM。然后，从DUT后续的所有EVM测量值中减去这些残余值。因此，本报告中呈现的EVM结果实际上是“EVM上升”结果，即从残余水平开始的EVM变化。

测试平台残余EVM的典型截图如图2所示。它显示了在一个具有10MHz带宽且所有子载波采用64QAM调制的LTE下行链路信号中，每个50个资源块的测量EVM。如第1.1节所述，总残余EVM就是各个资源块EVM的均方根（rms）值。

图2 – LTE测试平台对于10 MHz带宽和64QAM子载波调制的LTE下行链路信号的残余误差矢量幅度（EVM）。

2.3、测试平台的动态范围

LTE测试平台的一个限制是，安捷伦矢量信号分析仪只能在相对较小的信号功率范围内测量EVM（误差矢量幅度），而不会对测试设置的残余EVM产生不利影响。

例如，对于采用64QAM子载波调制的10MHz LTE下行链路信号，在载波功率为0 dBm时，测试平台的残余EVM为0.53%。相比之下，在载波功率为-30 dBm时，相同信号的残余EVM达到了7.8%。低于此功率水平时，残余EVM变得更差，且每次测量之间的变化更大。这使得无法区分被测设备对整体系统EVM的贡献。

信号分析仪的动态范围较低，这可能是因为其主要用途是作为发射机测试仪，用于在通过无线链路传输之前评估LTE信号的质量。它并不是为了模拟实际LTE接收机的低噪声系数和高灵敏度而设计的。因此，本报告中的大多数结果都是在功率水平约为0dBm时获得的（除非另有说明），因为在该功率水平下，测试平台的残余EVM最低。

2.4、被测设备（DUT）

为了评估射频滤波对误差矢量幅度（EVM）的影响，需要一款能产生高水平线性失真的滤波器。这里的“线性失真”是指滤波器引起的信号幅度、相位和/或群时延随频率的变化。

本次研究中选择的被测设备（DUT）是Triasx的DDF0035F1V1陶瓷带通滤波器，该滤波器在发射（Tx）频带以上的滚降特性非常陡峭。其通带被调至875–889.6 MHz，而在891.6 MHz处的衰减超过80 dB。

这款滤波器被用于850MHz网络，以防止带外发射机干扰落入同址共存的GSM基站的上行链路。

图3展示了该滤波器频率响应的一些网络分析仪截图。关键的线性失真特性总结在表1中。这里只展示了最坏情况下的结果；这些结果是在滤波器通带极端上边缘的10 MHz带宽内测量的，因为在这个位置，幅度、相位和群时延的变化最大。

插损和回波损耗：

回波损耗和群时延：

图3 – 频率响应图：用于LTE误差矢量幅度（EVM）测试的滤波器。

表1 – LTE EVM测试中滤波器最坏情况下的线性失真测量结果。

3、矢量信号分析仪截图：

3.1、LTE下行链路测试信号
图4展示了一个典型的LTE下行链路信号的频谱。该信号具有10MHz的带宽，并且所有子载波上都采用了64QAM调制。此截图是在被测设备（DUT）未在场的情况下拍摄的，使用的是从信号发生器到信号分析仪的直接电缆连接。

图4 - 采用64QAM子载波调制的10 MHz带宽LTE下行链路信号的频谱。

图5展示了上述信号的互补累积分布函数（CCDF）。该信号的统计特性与白噪声非常相似（在同一张图上以灰色曲线表示）。然而，其峰值平均功率比略高，最大值为11.1 dB。高峰值平均功率比是LTE下行链路中使用的正交频分多址（OFDMA）调制方案的一个典型特征。

图5 - 10 MHz带宽和64QAM子载波调制的LTE下行链路信号的互补累积分布函数（CCDF）。

3.2、LTE下行链路结果界面

图6展示了矢量信号分析仪结果界面的截图。该截图显示了LTE下行链路信号通过被测设备（DUT）后的关键特性。

图6 - 使用10 MHz带宽和64QAM子载波调制的LTE下行链路信号对被测设备（DUT）进行误差矢量幅度（EVM）测试的结果。

上述截图的左上角区域是接收到的LTE信号的复合星座图。它包含了几百个不同的64QAM星座图，这些星座图代表了用户数据符号，并全部叠加在同一组坐标轴上。此外，它还包含了各种控制信号的星座图。

截图的右上角区域是帧摘要，显示了LTE载波中每种信号的EVM、相对功率电平和调制格式。

左下角区域显示了接收到的LTE信号的射频频谱和总功率。

右下角区域是错误摘要窗口，显示了接收信号中的各种错误类型以及接收器使用的校正因子。对于本次调查而言，最常用的结果是该窗口顶部的总EVM值，它考虑了LTE信号中每种类型子载波的EVM。

3.3、LTE上行链路测试信号

图7展示了一个典型的LTE上行链路信号的射频频谱。该信号在所有子载波上均采用了10 MHz带宽和64QAM调制。此截图是在没有放置被测设备（DUT）的情况下，通过信号发生器与信号分析仪之间的直接电缆连接拍摄的。

图7 - 10 MHz带宽和64QAM子载波调制的LTE上行链路信号的射频频谱。

图8展示了上行链路信号的互补累积分布函数（CCDF）。上行链路信号的峰值平均功率比（PAR）仅为8.7 dB，相比之下，下行链路信号达到了11.1 dB。这是因为LTE上行链路采用了单载波频分多址（SC-FDMA）调制，其设计目的是降低发射信号的PAR，以提高功率放大器的效率，从而延长手机电池的使用寿命。

图8 - 10 MHz带宽和64QAM子载波调制的LTE上行链路信号的互补累积分布函数（CCDF）。

3.4、LTE上行链路结果界面

图6展示了矢量信号分析仪结果界面的截图。该截图显示了LTE上行链路信号通过被测设备（DUT）后的关键特性。尽管为了处理上行链路信号，仪器的配置需要稍作不同，但所呈现的信息与第4.2节中给出的下行链路示例几乎完全相同。

请注意，尽管只有一个用户在传输，但星座图仍然是复合星座图，其中包含数十个甚至数百个单独的星座图相互叠加。这是因为尽管是单用户传输，但不同的子载波上仍然同时发送了多个数据符号。

图9 - 使用10 MHz带宽和64QAM调制的LTE上行链路信号对被测设备（DUT）进行误差矢量幅度（EVM）测试的结果。

3.5、均衡信道频率响应

图10展示了均衡信道频率响应的截图。它显示了由LTE信道估计过程确定的被测设备（DUT）的幅度、相位和群延迟特性。

信道估计过程涉及将一组已知幅度和相位特性的导频音嵌入到LTE信号中。然后，接收器可以分析接收到的导频音的特性，并确定无线信道的频率响应。

这一过程的主要动机是为了对抗城市环境中多径衰落的影响。然而，它对于消除射频滤波器引入的线性失真的影响也非常有效，从而防止这些组件降低系统的误差矢量幅度（EVM）性能。

因此，在后续部分中报告的极低的EVM上升结果几乎完全归功于LTE标准的信道估计功能。

图10 - 由LTE均衡器确定的被测设备（DUT）的频率响应。

本篇文章主要介绍整个EVM的概念，测试系统的搭建以及LTE链路测试信号测试结果，下篇文章继续介绍射频滤波器对LTE信号的影响

参考文献：

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.