WLAN信號EVM測試分析

EVM是衡量數(shù)字信號質(zhì)量常用的參數(shù)，能綜合反映影響信號完整性的各種因素，但是測量和分析過程卻比較復雜。本 文首先分析了WLAN信號的幀結構和EVM測試過程，然后分析測試EVM時儀表需要注意的設置，最后介紹IQxel分析EVM時靈活的參數(shù)設置，可以滿足 研發(fā)和生產(chǎn)過程的各種需求。

　　誤差矢量幅度（EVM）是衡量WLAN信號質(zhì)量的一個重要指標。環(huán)境噪聲、寄生信號、雜散信號、相位噪聲和信號壓縮等因素都會降低信號的EVM，因此 EVM提供一個綜合的信號質(zhì)量分析。為了提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)速率，IEEE標準中引入了64QAM、256QAM等更高階調(diào)制方式，對EVM指標的要求 也越來越高。而EVM測試結果可能由于相位捕獲、信道估計、頻率同步、數(shù)據(jù)幀均衡等設置不同而不同。我們首先從分析WLAN信號幀結構開始，了解為什么這 些設置會影響EVM的測試結果。

　　1. WLAN信號幀結構

　　IEEE802.11a/g/n/ac標準都采用正交頻分復用（OFDM）的調(diào)制方式。OFDM將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行 的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸。每個子載波傳輸QAM或PSK編碼的不同數(shù)字信號。子載波分為數(shù)據(jù)子載波和用來同步的導頻子載波。子載波的 數(shù)量隨信道帶寬和標準的不同而變化，比如802.11a的20MHz帶寬信號包含52個子載波（48個數(shù)據(jù)子載波和4個導頻子載波），160MHz的 802.11ac信號包含484個子載波（468個數(shù)據(jù)子載波和16個導頻子載波）。

　　WLAN信號在時域是以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸，每個數(shù)據(jù)幀由前導碼（preamble）、包頭（header）、數(shù)據(jù)負載（data）和幀校驗序列 （FCS）組成，如圖1所示。前導碼用來同步和信道均衡，11n標準中定義了6種PLCP Preamble類型，其中所有OFDM數(shù)據(jù)幀中都定義了10位短訓練序列（STF）符號，2位長訓練序列（LTF）符號。短訓練序列用來信道自動增益控 制（AGC）、分集選擇和載波頻率偏移粗調(diào)，長訓練序列用來載波頻率精調(diào)。PLCP包頭傳輸解碼需要的本地信息，包括PPDU傳輸速率、PSDU傳輸時 間、服務比特和校驗位（CRC）。負載包含不同長度的報文信息。FCS是802.11標準幀中最后四個字節(jié)，用來循環(huán)冗余校驗（CRC）。

　　圖1. 802.11數(shù)據(jù)幀結構

　　2. EVM指標的測量過程

　　測試EVM時，由于儀器對理想信號未知，測量計算時是先將測試到的信號恢復到比特數(shù)據(jù)，作為原始信號，然后再對原始信號進行調(diào)制等處理后得到參考信號。測試信號和參考信號進行比較得到EVM。IEEE 802.11標準中定義的WLAN信號EVM計算過程如下：

　　a） 檢測數(shù)據(jù)幀的開始位置

　　b） 檢測短訓練序列和長訓練序列，建立精確時間同步（在一個采樣分辨率內(nèi)）

　　c） 估算粗調(diào)和細調(diào)頻率偏置

　　d） 根據(jù)估算的頻率偏置，修正幀的頻偏

　　e） 估算每一個子載波和每一條傳輸鏈路的信道響應系數(shù)

　　f） 將每個OFDM數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)化為各個子載波的接收信號。從所有數(shù)據(jù)流的導頻子載波中估算出相位，根據(jù)估算的相位修正子載波信號。將接收鏈路每個子載波上的數(shù)據(jù)分組成矢量數(shù)據(jù)序列，將此矢量序列乘以信道相位估計中生成的迫零均衡矩陣。

　　g） 對每個空間流的數(shù)據(jù)子載波解調(diào)出的矢量位置，找到最近的星座圖點，計算與理想星座圖點的歐式距離。

　　h） 計算幀中所有有效值（RMS）誤差的平均值，計算公式如下：

　　其中：Nf是測量的幀數(shù)

　　I0（if， is， iss， isc）， Q0（if， is， iss， isc）表示子載波isc，空間數(shù)據(jù)流iss和幀if中OFDM符號is對應的理想星座圖符號點。

　　I（if， is， iss， isc）， Q（if， is， iss， isc）表示子載波isc，空間數(shù)據(jù)流iss和幀if中OFDM符號is對應的實際星座圖符號點。

　　P0是星座圖的平均功率。

　　IEEE標準中定義WLAN信號EVM測試結果至少需要采集20個幀（Nf），每個幀包含至少16個OFDM符號，每個符號承載的數(shù)據(jù)為隨機數(shù)。標準 也對不同的調(diào)制技術規(guī)定了不同的EVM計算方法，對于802.11b/g的相對低數(shù)據(jù)速率直接序列擴頻（DSSS）信號，計算EVM峰值。而對于 802.11a/g /n/ac的高數(shù)據(jù)速率OFDM信號，則計算多載波與多符號的EVM平均值，即 EVM結果是所有幀EVM有效值（RMS）的平均值。

　　3. 優(yōu)化儀表的EVM測試性能

　　在大多數(shù)WLAN應用中，WLAN基帶處理器對信號進行調(diào)制，在片內(nèi)或片外的D/A轉(zhuǎn)換之后，提供I（同相）與Q（正交）的模擬輸出信號，由隨后的 RF部分進行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發(fā)射信號惡化的原因，信號惡化主要是由于經(jīng)PCB設備和RF電路的模擬信號處理造成的。元器件 變化、PCB印刷線路布局缺陷、晶體振蕩器與頻率合成器的不穩(wěn)定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會導致發(fā)射信號質(zhì)量下降。

　　EVM將表征發(fā)射RF信號的許多參數(shù)簡化為單一參數(shù)。在生產(chǎn)線測試中，EVM可以簡化發(fā)射機的質(zhì)量保證，并提高測試吞吐量。而在設計過程中，EVM則 是一個很有價值的總體信號質(zhì)量指標，特別是在與其它參數(shù)的測量結果組合使用時，可以用來排查I/Q失衡（幅度、相位、群延遲）、相位噪聲、寄生信號與瞬態(tài) 效應、信號壓縮等因素帶來的信號質(zhì)量惡化。

　　儀表測試的EVM指標不僅包括發(fā)射信號本身的EVM，也包括儀表引入的寄生EVM。為了減小測量儀表的系統(tǒng)誤差，用作分析和發(fā)射WLAN信號的儀表需 要有優(yōu)秀的I/Q幅度精度和相位平衡、直流偏置、相位噪聲和模數(shù)量化噪聲性能。WLAN芯片廠家通常建議客戶選擇的EVM測試儀表有大于10dB的測試余 量，比如802.11ac草案中MCS9（256QAM，5/6編碼率）的EVM指標是-32dB，那么儀表的寄生EVM建議小于-42dB。EVM指標 測試過中需要注意的設置包括：

　　a. 參考電平設置。儀表參考電平設置決定了前端衰減器和功放的參數(shù)，也決定了進入混頻器等電路的信號電平。底噪和非線性失真對EVM結果的影響決定了參考電平 設置的最小和最大值。信號電平太低時，噪聲限制了信噪比和降低了EVM。信號電平太高時，信號失真帶來載波間干擾降低了EVM。更改輸入信號電平和帶寬等 參數(shù)時，都應該重新設置參考電平。

　　b. 儀表本振相位噪聲對EVM分析結果有明顯的影響。儀表常用的恒溫晶體振蕩器（OCXO）室溫下通常需要10分鐘左右穩(wěn)定時間。建議儀表預熱或工作一段時間以后再進行EVM測試。

　　c. 雜散信號影響。雜散信號會干擾頻帶內(nèi)的信號，以及影響測量的動態(tài)范圍。當輸入信號電平比較低時，外界環(huán)境干擾對EVM測試結果的影響會比較大。通常建議被測設備在電波暗室或屏蔽箱內(nèi)進行測試。

　　EVM的測試結果與測量中相位捕獲、信道估計、符號時鐘捕獲、頻率同步、幅度捕獲等設置相關。這些設置在研發(fā)階段能幫助工程師發(fā)現(xiàn)和分析許多影響信號 質(zhì)量的問題。但同時也常常引起EVM測試結果不一致的困惑。在下一節(jié)將結合IQxel的EVM分析功能來介紹不同設置對EVM結果的影響。

4. IQxel在EVM測量中的靈活設置

　　萊特波特公司提供的IQxel儀表是目前主流的的WLAN測試儀，被芯片廠家、設計公司、生產(chǎn)制造企業(yè)和檢測認證機構廣泛采用。憑借出色的性能、靈活 的配置和創(chuàng)新的設計，IQxel占據(jù)802.11ac信號測試儀表90%以上的市場份額。IQxel儀表中對于EVM指標測試既有符合IEEE規(guī)范的默認 設置，也有滿足研發(fā)用戶的多種設置，幫助用戶分析和發(fā)現(xiàn)引起信號質(zhì)量惡化的原因。

　　針對IEEE802.11標準中不同的調(diào)制方式，IQxel在分析WLAN信號EVM時，有直接序列擴頻（DSSS）和正交頻分復用（OFDM）兩種標準選擇。WiFi 802.11a/g/n/ac標準對應的OFDM調(diào)制信號EVM分析包括如下設置選項：

　　表1. IQxel分析OFDM信號EVM指標時各種設置

　　用戶經(jīng)常會報告不同儀表的EVM測試結果不一致。首先需要檢查不同儀表分析EVM指標時的設置。建議采用IEEE標準規(guī)定的方法進行設置，只對前導碼進行均衡和導頻相位進行捕獲?；蛘邊⒄誛LAN芯片廠家推薦的方法設置。

　　IQxel分析的EVM結果中有全部導頻子載波的EVM（EVM Pilot），全部數(shù)據(jù)子載波的EVM（EVM Data）和全部子載波的EVM平均值，以及每個子載波全部符號的誤差矢量幅度平均值與 OFDM 子載波數(shù)的關系圖（EVM vs.Subcarrier Plot）和幀數(shù)據(jù)內(nèi)所有子載波每個符號的 EVM 平均值（EVM vs. Symbol Plot）。用戶可以查看WLAN信號分析中所有需要的EVM指標。EVM通常用dB表示，也有用百分數(shù)表示，兩者的關系 EVMdB=20log（EVM%）。

　　參考文獻：

　　［1］ IEEE 802.11 Standards. ［online］ available： http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11.。。

　?。?］ Christopher D. Ziomek and Matthew T. Hunter， Extending the Useable Range of Error Vector Magnitude （EVM） Testing， ［online］ available： http://www.ztecinstruments.com/zconnect/？p=1615.

　?。?］ A. Georgiadis， Gain， Phase Imbalance， and Phase Noise Effects on Error Vector Magnitude， IEEE

　　Transactions on Vehicular Technology， March 2004.

　　［4］ Litepoint， IQxel User Guide.

　　作者簡介：

　　呂文先生2007年畢業(yè)于北京郵電大學，獲得電磁場與微波技術碩士學位。長期從事無線電測量、電磁兼容和自動測試系統(tǒng)開發(fā)的工作?，F(xiàn)就職于萊特波特公司現(xiàn)場服務部門，負責無線局域網(wǎng)測試儀器的應用推廣、技術支持和測試方案設計等工作。