WLAN信號(hào)EVM測(cè)試分析

EVM是衡量數(shù)字信號(hào)質(zhì)量常用的參數(shù)，能綜合反映影響信號(hào)完整性的各種因素，但是測(cè)量和分析過(guò)程卻比較復(fù)雜。本文首先分析了WLAN信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)和EVM測(cè)試過(guò)程，然后分析測(cè)試EVM時(shí)儀表需要注意的設(shè)置，最后介紹IQxel分析EVM時(shí)靈活的參數(shù)設(shè)置，可以滿足研發(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(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。環(huán)境噪聲、寄生信號(hào)、雜散信號(hào)、相位噪聲和信號(hào)壓縮等因素都會(huì)降低信號(hào)的EVM，因此EVM提供一個(gè)綜合的信號(hào)質(zhì)量分析。為了提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)速率，IEEE標(biāo)準(zhǔn)中引入了64QAM、256QAM等更高階調(diào)制方式，對(duì)EVM指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。而EVM測(cè)試結(jié)果可能由于相位捕獲、信道估計(jì)、頻率同步、數(shù)據(jù)幀均衡等設(shè)置不同而不同。我們首先從分析WLAN信號(hào)幀結(jié)構(gòu)開(kāi)始，了解為什么這些設(shè)置會(huì)影響EVM的測(cè)試結(jié)果。

1. WLAN信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.11a/g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)都采用正交頻分復(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)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(shù)字信號(hào)。子載波分為數(shù)據(jù)子載波和用來(lái)同步的導(dǎo)頻子載波。子載波的數(shù)量隨信道帶寬和標(biāo)準(zhǔn)的不同而變化，比如802.11a的20MHz帶寬信號(hào)包含52個(gè)子載波(48個(gè)數(shù)據(jù)子載波和4個(gè)導(dǎo)頻子載波)，160MHz的802.11ac信號(hào)包含484個(gè)子載波(468個(gè)數(shù)據(jù)子載波和16個(gè)導(dǎo)頻子載波)。

WLAN信號(hào)在時(shí)域是以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)幀由前導(dǎo)碼(preamble)、包頭(header)、數(shù)據(jù)負(fù)載(data)和幀校驗(yàn)序列(FCS)組成，如圖1所示。前導(dǎo)碼用來(lái)同步和信道均衡，11n標(biāo)準(zhǔn)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(xùn)練序列(STF)符號(hào)，2位長(zhǎng)訓(xùn)練序列(LTF)符號(hào)。短訓(xùn)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(diào)，長(zhǎng)訓(xùn)練序列用來(lái)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(shí)間、服務(wù)比特和校驗(yàn)位(CRC)。負(fù)載包含不同長(zhǎng)度的報(bào)文信息。FCS是802.11標(biāo)準(zhǔn)幀中最后四個(gè)字節(jié)，用來(lái)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。

圖1. 802.11數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2. EVM指標(biāo)的測(cè)量過(guò)程

測(cè)試EVM時(shí)，由于儀器對(duì)理想信號(hào)未知，測(cè)量計(jì)算時(shí)是先將測(cè)試到的信號(hào)恢復(fù)到比特?cái)?shù)據(jù)，作為原始信號(hào)，然后再對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)制等處理后得到參考信號(hào)。測(cè)試信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行比較得到EVM.IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的WLAN信號(hào)EVM計(jì)算過(guò)程如下：

a)檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始位置

b)檢測(cè)短訓(xùn)練序列和長(zhǎng)訓(xùn)練序列，建立精確時(shí)間同步(在一個(gè)采樣分辨率內(nèi))

c)估算粗調(diào)和細(xì)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(gè)子載波和每一條傳輸鏈路的信道響應(yīng)系數(shù)

f)將每個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)化為各個(gè)子載波的接收信號(hào)。從所有數(shù)據(jù)流的導(dǎo)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(hào)。將接收鏈路每個(gè)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(jì)中生成的迫零均衡矩陣。

g)對(duì)每個(gè)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(diǎn)，計(jì)算與理想星座圖點(diǎn)的歐式距離。

h)計(jì)算幀中所有有效值(RMS)誤差的平均值，計(jì)算公式如下：

其中：Nf是測(cè)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(hào)is對(duì)應(yīng)的理想星座圖符號(hào)點(diǎn)。

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(hào)is對(duì)應(yīng)的實(shí)際星座圖符號(hào)點(diǎn)。

P0是星座圖的平均功率。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中定義WLAN信號(hào)EVM測(cè)試結(jié)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(hào)，每個(gè)符號(hào)承載的數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)不同的調(diào)制技術(shù)規(guī)定了不同的EVM計(jì)算方法，對(duì)于802.11b/g的相對(duì)低數(shù)據(jù)速率直接序列擴(kuò)頻(DSSS)信號(hào)，計(jì)算EVM峰值。而對(duì)于802.11a/g /n/ac的高數(shù)據(jù)速率OFDM信號(hào)，則計(jì)算多載波與多符號(hào)的EVM平均值，即EVM結(jié)果是所有幀EVM有效值(RMS)的平均值。 3.優(yōu)化儀表的EVM測(cè)試性能

在大多數(shù)WLAN應(yīng)用中，WLAN基帶處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)，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(hào)惡化的原因，信號(hào)惡化主要是由于經(jīng)PCB設(shè)備和RF電路的模擬信號(hào)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(hào)的存在都會(huì)導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)質(zhì)量下降。

EVM將表征發(fā)射RF信號(hào)的許多參數(shù)簡(jiǎn)化為單一參數(shù)。在生產(chǎn)線測(cè)試中，EVM可以簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)的質(zhì)量保證，并提高測(cè)試吞吐量。而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，EVM則是一個(gè)很有價(jià)值的總體信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)，特別是在與其它參數(shù)的測(cè)量結(jié)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(hào)與瞬態(tài)效應(yīng)、信號(hào)壓縮等因素帶來(lái)的信號(hào)質(zhì)量惡化。

儀表測(cè)試的EVM指標(biāo)不僅包括發(fā)射信號(hào)本身的EVM，也包括儀表引入的寄生EVM.為了減小測(cè)量?jī)x表的系統(tǒng)誤差，用作分析和發(fā)射WLAN信號(hào)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(cè)試儀表有大于10dB的測(cè)試余量，比如802.11ac草案中MCS9(256QAM，5/6編碼率)的EVM指標(biāo)是-32dB，那么儀表的寄生EVM建議小于-42dB.EVM指標(biāo)測(cè)試過(guò)中需要注意的設(shè)置包括：

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

b.儀表本振相位噪聲對(duì)EVM分析結(jié)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(shí)間。建議儀表預(yù)熱或工作一段時(shí)間以后再進(jìn)行EVM測(cè)試。

c.雜散信號(hào)影響。雜散信號(hào)會(huì)干擾頻帶內(nèi)的信號(hào)，以及影響測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)輸入信號(hào)電平比較低時(shí)，外界環(huán)境干擾對(duì)EVM測(cè)試結(jié)果的影響會(huì)比較大。通常建議被測(cè)設(shè)備在電波暗室或屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

EVM的測(cè)試結(jié)果與測(cè)量中相位捕獲、信道估計(jì)、符號(hào)時(shí)鐘捕獲、頻率同步、幅度捕獲等設(shè)置相關(guān)。這些設(shè)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(hào)質(zhì)量的問(wèn)題。但同時(shí)也常常引起EVM測(cè)試結(jié)果不一致的困惑。在下一節(jié)將結(jié)合IQxel的EVM分析功能來(lái)介紹不同設(shè)置對(duì)EVM結(jié)果的影響。

4. IQxel在EVM測(cè)量中的靈活設(shè)置

萊特波特公司提供的IQxel儀表是目前主流的的WLAN測(cè)試儀，被芯片廠家、設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)制造企業(yè)和檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)廣泛采用。憑借出色的性能、靈活的配置和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，IQxel占據(jù)802.11ac信號(hào)測(cè)試儀表90%以上的市場(chǎng)份額。IQxel儀表中對(duì)于EVM指標(biāo)測(cè)試既有符合IEEE規(guī)范的默認(rèn)設(shè)置，也有滿足研發(fā)用戶的多種設(shè)置，幫助用戶分析和發(fā)現(xiàn)引起信號(hào)質(zhì)量惡化的原因。

針對(duì)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中不同的調(diào)制方式，IQxel在分析WLAN信號(hào)EVM時(shí)，有直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和正交頻分復(fù)用(OFDM)兩種標(biāo)準(zhǔn)選擇。WiFi 802.11a/g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的OFDM調(diào)制信號(hào)EVM分析包括如下設(shè)置選項(xiàng)：

表1. IQxel分析OFDM信號(hào)EVM指標(biāo)時(shí)各種設(shè)置 用戶經(jīng)常會(huì)報(bào)告不同儀表的EVM測(cè)試結(jié)果不一致。首先需要檢查不同儀表分析EVM指標(biāo)時(shí)的設(shè)置。建議采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行設(shè)置，只對(duì)前導(dǎo)碼進(jìn)行均衡和導(dǎo)頻相位進(jìn)行捕獲?；蛘邊⒄誛LAN芯片廠家推薦的方法設(shè)置。

IQxel分析的EVM結(jié)果中有全部導(dǎo)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(gè)子載波全部符號(hào)的誤差矢量幅度平均值與OFDM子載波數(shù)的關(guān)系圖(EVM vs.Subcarrier Plot)和幀數(shù)據(jù)內(nèi)所有子載波每個(gè)符號(hào)的EVM平均值(EVM vs. Symbol Plot)。用戶可以查看WLAN信號(hào)分析中所有需要的EVM指標(biāo)。EVM通常用dB表示，也有用百分?jǐn)?shù)表示，兩者的關(guān)系EVMdB=20log(EVM%)。