WLAN信號EVM測試分析

　　摘要：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(jié)構(gòu)和EVM測試過程，然后分析測試EVM時儀表需要注意的設(shè)置，最后介紹IQxel分析EVM時靈活的參數(shù)設(shè)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(jié)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(shè)置不同而不同。我們首先從分析WLAN信號幀結(jié)構(gòu)開始，了解為什么這些設(shè)置會影響EVM的測試結(jié)果。

呂文

　　1. WLAN信號幀結(jié)構(gòu)

　　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(wù)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(jié)構(gòu)

　　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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shù)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(jié)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)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(yīng)、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(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)，也決定了進入混頻器等電路的信號電平。底噪和非線性失真對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(yīng)該重新設(shè)置參考電平。

　　b. 儀表本振相位噪聲對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(jié)果的影響會比較大。通常建議被測設(shè)備在電波暗室或屏蔽箱內(nèi)進行測試。

　　EVM的測試結(jié)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(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質(zhì)量的問題。但同時也常常引起EVM測試結(jié)果不一致的困惑。在下一節(jié)將結(jié)合IQxel的EVM分析功能來介紹不同設(shè)置對EVM結(jié)果的影響。