WLAN信号EVM测试分析

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

IEEE802.11a/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，11n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）。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）。


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出相位，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

I0（if，is，iss，isc），Q0（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。

I（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802.11b/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。