WLAN信号EVM测试分析.doc

WLAN信号EVM测试分析来源：中电网EVM是衡量数字信号质量常用的参数，能综合反映影响信号完整性的各种因素，但是 测量和分析过程却比较复杂本文首先分析了 WLAN信号的帧结构和EVM测试过程，然 后分析测试EVM时仪表需要注意的设置，最后介绍IQxel分析EVM时灵活的参数设置， 可以满足研发和生产过程的各种需求误差矢量幅度(EVM)是衡量WLAN信号质量的一个重要指标环境噪声、寄生信号、 杂散信号、相位噪声和信号压缩等因素都会降低信号的EVM,因此EVM提供一个综合的 信号质量分析为了提高频谱利用率和数据速率，IEEE标准中引入了64QAM、256QAM 等更高阶调制方式，对EVM指标的要求也越来越高而EVM测试结果可能由于相位捕获、 信道估计、频率同步、数据帧均衡等设置不同而不同我们首先从分析WLAN信号帧结构 开始，了解为什么这些设置会影响EVM的测试结果1. WLAN信号帧结构IEEE802.Ha/g/n/ac标准都采用正交频分复用(OFDM)的调制方式OFDM将信道分成 若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传 输每个子载波传输QAM或PSK编码的不同数字信号。

子载波分为数据子载波和用来同 步的导频子载波子载波的数量随信道带宽和标准的不同而变化，比如802.11a的20MHz 带宽信号包含52个子载波(48个数据子载波和4个导频子载波),160MHz的802.11ac信号包 含484个子载波(468个数据子载波和16个导频子载波)WLAN信号在时域是以数据帧的方式传输，每个数据帧由前导码(preamble)＞包头 (header),数据负载(data)和帧校验序列(FCS)组成，如图1所示前导码用来同步和信道均 衡，11 n标准中定义了6种PLCP Preamble类型，其中所有OFDM数据帧中都定义了 10位 短训练序列(STF)符号，2位长训练序列(LTF)符号短训练序列用来信道自动增益控制 (AGC)、分集选择和载波频率偏移粗调，长训练序列用来载波频率精调PLCP包头传输解 码需要的本地信息，包括PPDU传输速率、PSDU传输时间、服务比特和校验位(CRC)o 负载包含不同长度的报文信息FCS是802.11标准帧中最后四个字节，用来循环冗余校验 (CRC)oOSI Physical LayerOSI Data Link LayerPLCP preamble headerMAC HeaderHigher OSI layers Packet trailer图1.802.11数据帧结构2. EVM指标的测量过程测试EVM时，由于仪器对理想信号未知，测量计算时是先将测试到的信号恢复到比特 数据，作为原始信号，然后再对原始信号进行调制等处理后得到参考信号。

测试信号和参考 信号进行比较得到EVM.IEEE 802.11标准中定义的WLAN信号EVM计算过程如下：a） 检测数据帧的开始位置b） 检测短训练序列和长训练序列，建立精确时间同步（在一个采样分辨率内）c） 估算粗调和细调频率偏置d） 根据估算的频率偏置，修正帧的频偏e） 估算每一个子载波和每一条传输链路的信道响应系数f） 将每个OFDM数据符号转化为各个子载波的接收信号从所有数据流的导频子载波 中估算岀相位，根据估算的相位修正子载波信号将接收链路每个子载波上的数据分组成矢 量数据序列，将此矢量序列乘以信道相位估计中生成的迫零均衡矩阵g） 对每个空间流的数据子载波解调出的矢量位置，找到最近的星座图点，计算与理想星 座图点的欧式距离h） 计算帧中所有有效值（RMS）误差的平均值，计算公式如下：其中：Nf是测量的帧数IO（if, is, iss, isc）, QO（if, is, iss, isc）表示子载波 isc,空间数据流 iss 和帧 if 中 OFDM符号is对应的理想星座图符号点l(if, is, iss, isc), Q(if, is, iss, isc)表示子载波 isc,空间数据流 iss 和帧 if 中 OFDM符号is对应的实际星座图符号点。

P0是星座图的平均功率IEEE标准中定义WLAN信号EVM测试结果至少需要采集20个帧（Nf）,每个帧包含至 少16个OFDM符号，每个符号承载的数据为随机数标准也对不同的调制技术规定了不同 的EVM计算方法，对于802.11 b/g的相对低数据速率直接序列扩频（DSSS）信号，计算EVM 峰值而对于802.11a/g /n/ac的高数据速率OFDM信号，则计算多载波与多符号的EVM 平均值，即EVM结果是所有帧EVM有效值（RMS）的平均值3.优化仪表的EVM测试性 能在大多数WLAN应用中，WLAN基带处理器对信号进行调制，在片内或片外的D/A转 换之后，提供1（同相）与Q（正交）的模拟输出信号，由随后的RF部分进行上变频WLAN基 带处理器的操作通常不是造成发射信号恶化的原因，信号恶化主要是由于经PCB设备和RF 电路的模拟信号处理造成的元器件变化、PCB印刷线路布局缺陷、晶体振荡器与频率合 成器的不稳定性、功率放大器的失真以及寄生信号的存在都会导致发射信号质量下降EVM将表征发射RF信号的许多参数简化为单一参数在生产线测试中，EVM可以简 化发射机的质量保证，并提高测试吞吐量而在设计过程中，EVM则是一个很有价值的总 体信号质量指标，特别是在与其它参数的测量结果组合使用时，可以用来排查I/Q失衡（幅 度、相位、群延迟）、相位噪声、寄生信号与瞬态效应、信号压缩等因素带来的信号质量恶 化。

仪表测试的EVM指标不仅包括发射信号本身的EVM,也包括仪表引入的寄生EVM. 为了减小测量仪表的系统误差，用作分析和发射WLAN信号的仪表需要有优秀的I/Q幅度 精度和相位平衡、直流偏置、相位噪声和模数量化噪声性能WLAN芯片厂家通常建议客 户选择的EVM测试仪表有大于10dB的测试余量，比如802.11ac草案中MCS9（256QAM, 5/6编码率）的EVM指标是-32dB,那么仪表的寄生EVM建议小于-42dB.EVM指标测试过 中需要注意的设置包括：a.参考电平设置仪表参考电平设置决定了前端衰减器和功放的参数，也决定了进入混 频器等电路的信号电平底噪和非线性失真对EVM结果的影响决定了参考电平设置的最小 和最大值信号电平太低时，噪声限制了信噪比和降低了 EVM.信号电平太高时，信号失真 带来载波间干扰降低了 EVM.更改输入信号电平和带宽等参数时，都应该重新设置参考电平b.仪表本振相位噪声对EVM分析结果有明显的影响仪表常用的恒温晶体振荡器 (OCXO)室温下通常需要10分钟左右稳定时间建议仪表预热或工作一段时间以后再进行 EVM测试杂散信号影响杂散信号会干扰频带内的信号，以及影响测量的动态范围。

当 输入信号电平比较低时，外界环境干扰对EVM测试结果的影响会比较大通常建议被测设 备在电波暗室或屏蔽箱内进行测试EVM的测试结果与测量中相位捕获、信道估计、符号时钟捕获、频率同步、幅度捕获 等设置相关这些设置在研发阶段能帮助工程师发现和分析许多影响信号质量的问题但同 时也常常引起EVM测试结果不一致的困惑在下一节将结合IQxel的EVM分析功能来介 绍不同设置对EVM结果的影响4. IQxel在EVM测量中的灵活设置莱特波特公司提供的IQxel仪表是目前主流的的WLAN测试仪，被芯片厂家、设计公 司、生产制造企业和检测认证机构广泛采用凭借出色的性能、灵活的配置和创新的设计， IQxel占据802.11ac信号测试仪表90%以上的市场份额IQxel仪表中对于EVM指标测试 既有符合IEEE规范的默认设置，也有满足研发用户的多种设置，帮助用户分析和发现引起 信号质量恶化的原因针对IEEE802.11标准中不同的调制方式，IQxel在分析WLAN信号EVM时，有直接 序列扩频(DSSS)和正交频分复用(OFDM)两种标准选择WiFi 802.11a/g/n/ac标准对应的 OFDM调制信号EVM分析包括如下设置选项：EVM分析设豐.设备注•Phase CorrectJon / tfi位修正.ON:打开相住修正分析・OFF:关闭相位修正分析.当 发射机和接收机我波相位锁 定或製波相位燥声很低时使 用.・分析0FDM散据包时.设JB 仪衰当前信道相位修正状 态.默认打开状态.-Symbol Clock Correction / 符 号时神修正.ON:打开符号时仲修正分析• OFF;关倚符号时忡够正分析.分析0FDMtl据包时.设賈 仪表当前符号时仲妙正状 态.默认打开状态.笑闭后 EVM指标变差8dB左右.-Amplitude Correction / 幅摩 修正•ON:打开幅良修正分析• OFF:关用幅麼修正分析-分析OFDM数据包时.设B • 仪表当前信洎辐度妹正状态.Frequency Correction / 频厚 修正.下拉菜草中选择栽波频率俣 ■e估计的方法.选项包括分 析波形的不同龊分＜.STF：短训练序列-LTF； 2= .SIG:整个信号・ DATA： ftS部分.分析OFDM妆据包时.选择 數据帧中进行频率修正的部 分.默认是LTF.选择STF 修正，EVM结果降低 備叟誣Channel Estimation / 信遭估 计。

下拉菜单中选择信道估计的 方法.选项包括分析玻形的 不同郁分；"LTF：长训练序列•DATA：数据部分"分析OFDM &据包时，选择 敌据帧中进行信道估计的部 分.默认LTF,选择DATA 进行信道估计.EVM提高 4~5dBPacket Format /数据包格武.包括如下选项：.Auto：自动检測(默认).NONHt：采用 a/b/g/n 格式 数据包传输.Mixed：采用与a/b/g/n前导 瓦兼容的数据包传输• GREenfield:不包含 a/b/g/n 兼容部分的高吞吐量数据恪 式・VHT:高吞吐据包恪式 i802.11ac)分析0FDM tt据包时.设2? 分析的数据包类型’默认为 Auto.自动检割.选算错误 的数据包类型可能无法解调 信号・・MIMO Analysis Mode包括如下遶项t “NXN：真实的MIMO信号分 析(TruoMIMO).COMPosit•:艮舍 MIMO 信号 分析(Compotlt* MIMO 卜 SINGIe:单路fi号分析(SISO)-设胃MIMO信号的分析方式.[i.电吕网表1. IQxel分析OFDM信号EVM指标时各种设置用户经常会报告不同仪表的EVM测 试结果不一致。

首先需要检查不同仪表分析EVM指标时的设置建议采用IEEE标准规定 的方法进行设置，只对前导码进行均衡和导频相位进行捕获或者参照WLAN芯片厂家推 荐的方法设置IQxel分析的EVM结果中有全部导频子载波的EVM(EVM Pilot),全部数据子载波的EVM(EVM Data)和全部子载波的EVM平均值，以及每个子载波全部符号的误差矢量幅度平 均值与OFDM子载波数的关系图(EVM vs.Subcarrier Plot)和帧数据内所有子载波每个符号 的EVM平均值(EVM vs. Symbol Plot)用户可以查看WLAN信号分析中所有需要的EVM 指标EVM通常用dB表示，也有用百分数表示，两者的关系EVMdB=20log(EVM%)o。