WLAN信號EVM測試分析

EVM是衡量數字信號質量常用的參數，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時靈活的參數設置，可以滿足研發和生產過程的各種需求。

誤差矢量幅度(EVM)是衡量WLAN信號質量的一個重要指標。環境噪聲、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，調制到每個子信道上進行傳輸。每個子載波傳輸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個子載波(48個數據子載波和4個導頻子載波)，160MHz的802.11ac信號包含484個子載波(468個數據子載波和16個導頻子載波)。

WLAN信號在時域是以數據幀的方式傳輸，每個數據幀由前導碼(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數據幀中都定義了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，長訓練序列用來載波頻率精調。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，用來循環冗余校驗(CRC)。

圖1. 802.11數據幀結構

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據，作為原始信號，然后再對原始信號進行調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)檢測數據幀的開始位置

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)

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)估算每一個子載波和每一條傳輸鏈路的信道響應系數

f)將每個OFDM數據符號轉化為各個子載波的接收信號。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，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

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。

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，每個符號承載的數據為隨機數。標準也對不同的調制技術規定了不同的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部分進行上變頻。WLAN基帶處理器的操作通常不是造成發射信號惡化的原因，信號惡化主要是由于經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定性、功率放大器的失真以及寄生信號的存在都會導致發射信號質量下降。

EVM將表征發射RF信號的許多參數簡化為單一參數。在生產線測試中，EVM可以簡化發射機的質量保證，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量指標，特別是在與其它參數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、寄生信號與瞬態效應、信號壓縮等因素帶來的信號質量惡化。

儀表測試的EVM指標不僅包括發射信號本身的EVM，也包括儀表引入的寄生EVM.為了減小測量儀表的系統誤差，用作分析和發射WLAN信號的儀表需要有優秀的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，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的信號，以及影響測量的動態范圍。當輸入信號電平比較低時，外界環境干擾對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。這些設置在研發階段能幫助工程師發現和分析許多影響信號質量的問題。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、生產制造企業和檢測認證機構廣泛采用。憑借出色的性能、靈活的配置和創新的設計，IQxel占據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規范的默認設置，也有滿足研發用戶的多種設置，幫助用戶分析和發現引起信號質量惡化的原因。

針對IEEE802.11標準中不同的調制方式，IQxel在分析WLAN信號EVM時，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指標時各種設置 用戶經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。或者參照WLAN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)，全部數據子載波的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子載波數的關系圖(EVM vs.Subcarrier Plot)和幀數據內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，也有用百分數表示，兩者的關系EVMdB=20log(EVM%)。