WLAN信號EVM測試分析

EVM是衡量數字信號質(zhì)量常用的參數，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(guò)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(guò)程，然后分析測試EVM時(shí)儀表需要注意的設置，最后介紹IQxel分析EVM時(shí)靈活的參數設置，可以滿(mǎn)足研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)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(gè)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(huì )降低信號的EVM，因此EVM提供一個(gè)綜合的信號質(zhì)量分析。為了提高頻譜利用率和數據速率，IEEE標準中引入了64QAM、256QAM等更高階調制方式，對EVM指標的要求也越來(lái)越高。而EVM測試結果可能由于相位捕獲、信道估計、頻率同步、數據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(kāi)始，了解為什么這些設置會(huì )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)的調制方式。OFDM將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。每個(gè)子載波傳輸QAM或PSK編碼的不同數字信號。子載波分為數據子載波和用來(lái)同步的導頻子載波。子載波的數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(gè)子載波(48個(gè)數據子載波和4個(gè)導頻子載波)，160MHz的802.11ac信號包含484個(gè)子載波(468個(gè)數據子載波和16個(gè)導頻子載波)。

WLAN信號在時(shí)域是以數據幀的方式傳輸，每個(gè)數據幀由前導碼(preamble)、包頭(header)、數據負載(data)和幀校驗序列(FCS)組成，如圖1所示。前導碼用來(lái)同步和信道均衡，11n標準中定義了6種PLCP Preamble類(lèi)型，其中所有OFDM數據幀中都定義了10位短訓練序列(STF)符號，2位長(cháng)訓練序列(LTF)符號。短訓練序列用來(lái)信道自動(dòng)增益控制(AGC)、分集選擇和載波頻率偏移粗調，長(cháng)訓練序列用來(lái)載波頻率精調。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(shí)間、服務(wù)比特和校驗位(CRC)。負載包含不同長(cháng)度的報文信息。FCS是802.11標準幀中最后四個(gè)字節，用來(lái)循環(huán)冗余校驗(CRC)。

圖1. 802.11數據幀結構

2. EVM指標的測量過(guò)程

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

a)檢測數據幀的開(kāi)始位置

b)檢測短訓練序列和長(cháng)訓練序列，建立精確時(shí)間同步(在一個(gè)采樣分辨率內)

c)估算粗調和細調頻率偏置

d)根據估算的頻率偏置，修正幀的頻偏

e)估算每一個(gè)子載波和每一條傳輸鏈路的信道響應系數

f)將每個(gè)OFDM數據符號轉化為各個(gè)子載波的接收信號。從所有數據流的導頻子載波中估算出相位，根據估算的相位修正子載波信號。將接收鏈路每個(gè)子載波上的數據分組成矢量數據序列，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(gè)空間流的數據子載波解調出的矢量位置，找到最近的星座圖點(diǎn)，計算與理想星座圖點(diǎn)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

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

I(if，is，iss，isc)，Q(if，is，iss，isc)表示子載波isc，空間數據流iss和幀if中OFDM符號is對應的實(shí)際星座圖符號點(diǎn)。

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(gè)幀(Nf)，每個(gè)幀包含至少16個(gè)OFDM符號，每個(gè)符號承載的數據為隨機數。標準也對不同的調制技術(shù)規定了不同的EVM計算方法，對于802.11b/g的相對低數據速率直接序列擴頻(DSSS)信號，計算EVM峰值。而對于802.11a/g /n/ac的高數據速率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WLAN應用中，WLAN基帶處理器對信號進(jìn)行調制，在片內或片外的D/A轉換之后，提供I(同相)與Q(正交)的模擬輸出信號，由隨后的RF部分進(jìn)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(xiàn)路布局缺陷、晶體振蕩器與頻率合成器的不穩定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會(huì )導致發(fā)射信號質(zhì)量下降。

EVM將表征發(fā)射RF信號的許多參數簡(jiǎn)化為單一參數。在生產(chǎn)線(xiàn)測試中，EVM可以簡(jiǎn)化發(fā)射機的質(zhì)量保證，并提高測試吞吐量。而在設計過(guò)程中，EVM則是一個(gè)很有價(jià)值的總體信號質(zhì)量指標，特別是在與其它參數的測量結果組合使用時(shí)，可以用來(lái)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(lái)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?jì)x表的系統誤差，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、相位噪聲和模數量化噪聲性能。WLAN芯片廠(chǎng)家通常建議客戶(hù)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(guò)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，也決定了進(jìn)入混頻器等電路的信號電平。底噪和非線(xiàn)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(shí)，噪聲限制了信噪比和降低了EVM.信號電平太高時(shí)，信號失真帶來(lái)載波間干擾降低了EVM.更改輸入信號電平和帶寬等參數時(shí)，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分鐘左右穩定時(shí)間。建議儀表預熱或工作一段時(shí)間以后再進(jìn)行EVM測試。

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

EVM的測試結果與測量中相位捕獲、信道估計、符號時(shí)鐘捕獲、頻率同步、幅度捕獲等設置相關(guān)。這些設置在研發(fā)階段能幫助工程師發(fā)現和分析許多影響信號質(zhì)量的問(wèn)題。但同時(shí)也常常引起EVM測試結果不一致的困惑。在下一節將結合IQxel的EVM分析功能來(lái)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(chǎng)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802.11ac信號測試儀表90%以上的市場(chǎng)份額。IQxel儀表中對于EVM指標測試既有符合IEEE規范的默認設置，也有滿(mǎn)足研發(fā)用戶(hù)的多種設置，幫助用戶(hù)分析和發(fā)現引起信號質(zhì)量惡化的原因。

針對IEEE802.11標準中不同的調制方式，IQxel在分析WLAN信號EVM時(shí)，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(shí)各種設置 用戶(hù)經(jīng)常會(huì )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(shí)的設置。建議采用IEEE標準規定的方法進(jìn)行設置，只對前導碼進(jìn)行均衡和導頻相位進(jìn)行捕獲?；蛘邊⒄誛LAN芯片廠(chǎng)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)，全部數據子載波的EVM(EVM Data)和全部子載波的EVM平均值，以及每個(gè)子載波全部符號的誤差矢量幅度平均值與OFDM子載波數的關(guān)系圖(EVM vs.Subcarrier Plot)和幀數據內所有子載波每個(gè)符號的EVM平均值(EVM vs. Symbol Plot)。用戶(hù)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，也有用百分數表示，兩者的關(guān)系EVMdB=20log(EVM%)。