EVM是什么意思?EVM越小越好嗎？零中頻接收機下變頻到基帶的兩路IQ信號，如何測試EVM?如何獲得最佳EVM測試結果？

零中頻接收機下變頻到基帶的兩路IQ信號是用來表示調制信號的幅度和相位的。為了測試這兩路信號的質量，我們可以使用誤差矢量?幅度(EVM)這個指標。EVM反映了信號在傳輸過程中受到的噪聲、失真和干擾的影響。

誤差矢量幅度 (EVM)是什么意思？

矢量幅度誤差（error vector magnitude）EVM是指理在給定時間的理想參考信號和所測信號之間的矢量差。

圖 1. ?矢量幅度誤差（error vector magnitude）EVM

在數字通信系統中應用最為廣泛的調制質量指標是誤差矢量幅度(EVM)。參見圖 2。誤差矢量是一個復參量，包含幅度和相位分量。

不要將誤差矢量的幅度 (Magnitude of the error vector)與幅度誤差 (Magnitude error)相混淆，也不要把誤差矢量的相位 (Phase of the error vector)與相位誤差 (Phase error)相混淆。

幅度誤差反應信號幅值的大與小，相位誤差反應信號的超前與滯后。

誤差矢量幅度值EVM - 數字調制誤差的定量參數

數字通信系統中，最廣泛采用的調制質量定量標準是誤差矢量幅度值 (EVM)。

EVM在現代數字通信系統的核心評估體系中是一項至關重要的性能指標。幾乎在所有現行的通信標準中，都明確規定了EVM的衡量標準，并且這一指標還在隨著通信協議的不斷演進而持續發展。EVM尤其是在Wi-Fi通信系統中被視為射頻性能評估中的首要指標。請參考Wi-Fi7 系統對發射通路EVM的要求如下表所示。

Wi-Fi7 系統對發射通路EVM的要求

當進行EVM測試時，分析儀對信號取樣，以捕獲實際信號軌跡。同時對該信號進行解調，并以數學方法得到參考信號。

誤差矢量是在給定時間被測信號與參考信號之間的矢量差，是兩個矢量端點之間的標量距離。誤差矢量本身也是矢量，因此是一個復數值，包含幅度和相位分量。而EVM是誤差矢量的幅度與最高符號的幅度或平均符號功率的平方根歸一化的結果，通常以百分比來表示。

EVM直接衡量每一個調制符號的矢量調制誤差，它包含了相位誤差和幅度誤差的信息。EVM測量可以直接觀察數字調制質量，可以通過識別信號惡化來確定問題所在。

誤差矢量幅度(EVM)定義為在符號時鐘跳變時刻誤差矢量的均方根 (rms)

按照慣例， EVM 通常歸一化為最外面符號的幅度或符號平均功率的平方根。EVM測試在有些通信標準中也稱為相對星座誤差(RCE)，各種相關數據結果對于任意數字調制格式中影響信號的幅度和相位軌軌跡路的損傷都十分敏感。因此， EVM 是一種分析診斷通信系統基帶、中頻或射頻部分中的故障的理想測量工具。

圖3是圖2中定義的調制質量測量的示例。

軌跡A ( 誤差矢量時間) 顯示了符號點處的誤差矢量幅度。

軌跡B ( 誤差矢量頻譜) 顯示了誤差矢量時間數據的頻譜。

軌跡C (IQ 幅度誤差) 是測量IQ 波形和IQ 參考波形的幅度差。

軌跡D (IQ 相位誤差) 是測量IQ 波形和IQ 參考波形的相位差。

誤差矢量時間數據( 軌跡A) 是根據I/Q測試信號和I/Q參考信號上相應符號點計算出的誤差矢量幅度。誤差矢量頻譜數據( 軌跡B) 顯示了誤差矢量時間數據的頻譜。也就是說， 誤差矢量時間數據被加窗并 FFT 以生成誤差矢量頻譜軌跡。這種格式能夠揭示使得制載波偏離理想路徑的多余信號的頻譜成分。如果這些誤差成分是確定的，它們會以頻譜軌跡的形式顯示在誤差矢量頻譜上。測量這些頻譜，可以更深入地了解這些誤差信號的本質與來源。頻率峰值通常會對應方框圖中某處的一個信號。

I/Q幅度誤差(軌跡C) 和 I/Q相位誤差(顯示D) 顯示了I/Q測量信號和I-Q參考信號間的誤差。I/Q幅度誤差顯示幅度誤差，I/Q相位誤差顯示相位誤差。

誤差矢量是理想 I/Q參考信號與被測信號之間的矢量差。EVM 只是這個誤差矢量的幅度。誤差矢量是本地振蕩器的相位噪聲、功率放大器的噪聲以及 I/Q 調制器減損等因素共同作用的結果。

“為了確保能夠評測被測器件的 EVM性能，您所使用的信號發生器的 EVM性能害要比被測器件的預期EVM性能好 5 至10 dB."

例如，802.11ax 發射機EVM標準要求1024 QAM 的 EVM 達到 -35dB。對于在設計驗證中使用的信號發生器，其剩余 EVM 本底應低于 -45dB。不過，在生產測試中，EVM性能小于 -40 dB 就己經非常好了。

EVM測試為數字調制信號提供了一個簡單、定量的參數。誤差可能源自本地振蕩器(LO) 的相位噪聲、功率放大器的噪聲以及IQ調制器減損等等。圖6 顯示了對常見調制格式的調制分析。IQ 測量波形數據進入解調器恢復成原始數據比特，數據比特再經過調制，得到IQ參考（理想）波形。另一路是使用信號補償和測量濾波器來處理IQ測量波形數據。信號誤差是參考波形與補償后的測量波形之間的差異。

圖 7 顯示了矢量信號誤差。誤差矢量（紅色箭頭）從 IQ 參考信號矢量（淺黑色箭頭）的檢測點到達 IQ 測量信號矢量（黑色箭頭）。EVM 是誤差矢量計算結果的均方根 (RMS)，表示為EVM 歸一化參考值的百分比。

為什么EVM有%和dB兩種表示單位？EVM指標又是如何計算及如何使用的？

EVM的兩種單位：“%”和“dB”

EVM信號和實際信號進行比較就得到EVM的值。歸一化后的EVM值為一個百分比。如下圖所示：

在射頻的計算中，為了方便計算并進行數字的觀察，經常會用dB為單位來表示倍數或者比例關系。某些無線標準,如 Wi-Fi使用分貝 (dB) 作為 EVM 結果的單位。

EVM的dB和倍數之間的轉換關系如下所示。

EVM的兩種單位對應關系如下表所示。

EVM測試

EVM測試中所使用的信號分析儀也會造成一定程度的誤差。

信號分析儀的剩余 EVM本底應當比器件的性能或測試規范低 5 至 10 dB。例如，采用 1024 QAM 調制時，802.11ax 發射機的 EVM 技術指標要求達到 -35 dB。芯片研發工程師更希望信號分析儀的本底剩余EVM 在 -45 dB 以下。對于生產測試，由于需要留出 5 dB 的測試裕量，EVM性能值應當 低于 -40 dB。

信號分析儀主要完成帶內調制質量方面的測試，同時也是數字調制收發信機調試和診斷的主要工具，包括：

• 誤差矢量幅度EVM (Error Vector Magnitude)

• 幅度誤差 (Magnitude Error)

• 相位誤差 (Phase Error)

• 頻率誤差 (Frequency Error)

• I/Q偏移 (I/O Offset )

• 碼域誤差 (Code Domain Error)

如何優化誤差矢量幅度 EVM測試, 獲得最佳EVM測試結果？

圖8 顯示了矢量信號分析儀的簡化方框圖。在進行 EVM測試時，您需要設置信號分析儀輸入混頻器的最佳電平，并配置好本振的相位噪聲，以及相應的數字轉換器，才能獲得最佳EVM測試結果。這些元器件均有其各自的限制和使用場景。我們先討論輸入混頻器。

EVM測試實踐經驗 1：優化混頻器電平

所有無線標準都使用最大輸出功率來定標 EVM測試結果。您可以控制信號分析儀中的 第一級混頻器的功率電平，以確保大功率輸入信號不會導致信號分析儀失真。然而，什么樣 的混頻器電平設置為最佳并沒有規律。最好的混頻器電平設置取決于測量硬件、輸入信號的特性以及規范測試要求。

信號分析儀中的非線性元器件（例如混頻器和放大器）在某些條件下可能會產生失真。在將大功率信號輸入到信號分析儀時，該信號會導致輸入混頻器失真。失真產物可能是通道內或通道外的多余頻譜信號，如圖9 所示。

對于調制信號（右圖），通道內的失真產物（深紅色） 會降低調制測量質量，而通道外的失真產物（紅色）會影響鄰道功率和雜散測量。可調輸入衰減可避免輸入混頻器導致的大功率輸入信號失真。

調整輸入衰減

分析儀的輸入衰減器會減少進入輸入混頻器的信號。但是，輸入混頻器電平設置是失真性能與噪聲靈敏度折中后的結果。在較高的輸入混頻器電平下，您可以實現較好的信噪比(SNR) ；而在較低的輸入混頻器電平下，失真性能較好。

信號分析儀提供了能夠以 5 dB 或 2 dB 步進的機械衰減器，以及能夠以 1 dB 步進的電子 （可選）衰減器。電子衰減器的步進比機械衰減器更小，因此能為優化輸入混頻器電平提供更好的分辨率。

打開內置前置放大器

在空中接口 (OTA) 測試以及測試系統插入損耗極大等場景中，輸入信號電平可能會比最佳混頻器電平低一些。內置的前置放大器可提供更好的噪聲系數，但互調失真至本底噪聲動態范圍較小。您可以在低輸入電平測試場景中打開這一設置。

優化衰減設置 - 您在使用是德科技信號 分析儀時可以調整衰減， 盡量減少削波，從而 防止輸入信號過載。這個功能可以加速輸入 衰減的設置，但不一定 能優化測量動態范圍。用戶需要手動調整衰減，以獲得最佳測量結果。

EVM測試實踐經驗 2 ：優化中頻數字轉換器的信噪比SNR

更高數據速率應用面臨的需求正飛速增長，因此需要能夠在較高頻率下提供寬信號帶寬的技術。然而，帶寬越寬，匯集的噪聲就越多。毫米波頻段的寬帶噪聲以及儀器與待測件 (DUT) 之間過大的路徑損耗會導致數字轉換器的信噪比 SNR 降低。

信噪比SNR 較低的話，會導致發射機測量的 EVM 和鄰道功率比性能都比較差，從而不能準確顯示出被測器件的性能，如圖 10?所示。噪聲功率包括被測器件和信號分析儀的噪聲等成分，它們會導致符號偏離理想狀態位置。

在毫米波頻率下，如果電纜損耗過大，射頻功率會受到限制，而且成本也會上升。您需要使用 OTA 測試方法測量毫米波頻率下的性能指標，想要獲得準確和可重復的結果會更困難。

信號分析儀的系統中頻 (IF) 噪聲必須要足夠低，才能獲得最佳的 EVM測試結果。而另一 方面，數字轉換器的輸入信號必須要足夠高，且不得導致數字轉換器過載。因此，我們需要根據測得的信號峰值電平對射頻衰減器、前置放大器和中頻增益值進行綜合設置。如果 使用新款信號分析儀，您只需按一個鍵即可優化這些硬件設置，進而改善信噪比 SNR 并避免數字轉換器過載，如圖 11 所示。優化過程需要測量信號峰值電平并設置分析儀。但是，測得的周期可能無法體現輸入信號的完整功率特性。用戶可以手動微調中頻增益和射頻衰減器等設置，以便獲得最佳的測量結果。

EVM測試實踐經驗 3 ：為寬帶應用優化相位噪聲

相位噪聲描述的是振蕩器的頻率穩定性。它是頻域中振蕩器信號周圍的噪聲頻譜。相位噪聲 會導致誤差矢量的相位分量出現誤差。信號分析儀的相位噪聲性能是造成 EVM測試誤差的原因之一。

數字調制

信號分析儀本振信號的相位噪聲會轉換為信號分析儀混頻器的輸入。相位噪聲對 IQ 星座圖的直接影響是產生符號的徑向拖尾，如圖 11 所示。在使用高階調制方案（如 256QAM）時，符號間隔更小，對 EVM性能的要求也更高。用戶應確保信號分析儀的相位噪聲性能不會 影響 EVM測試結果。

正交頻分復用 (OFDM)

OFDM 是寬帶數字通信的常用調制方案。它使用許多間隔很近的正交子載波信號并行傳輸數據，其中每個子載波信號都采用各自的調制方案。在相位噪聲性能較差的本振進行變頻，該子載波的相位噪聲會以干擾的形式擴展到其他子載波中，如圖 12 所示。相位噪聲會降低 OFDM 信號的調制質量。

信號分析儀為相位噪聲的優化提供了選擇。例如，信號分析儀可提供以下使用條件 ：最佳近端相位噪聲、最佳寬頻偏相位噪聲和快速調諧。這些優化為各種測試應用提供了不同的相位噪聲性能選擇 ：

• ?“最佳近端”相位噪聲可以優化載波附近的相位噪聲，但無法優化頻偏較遠的相位噪聲。

• ?“最佳寬頻偏”相位噪聲則可以優化頻率距離載波較大范圍內的相位噪聲。

• “快速調諧”可以從雙回路本地振蕩器切換至單回路，以進行快速調諧測量。

為了獲得信號分析儀的最佳相位噪聲性能以進行調制分析，用戶不僅要考慮信號分析儀的相位噪聲曲線（近端和寬頻偏），還要考慮輸入信號的工作頻率、帶寬和子載波間隔（OFDM信號）。圖 13 是信號分析儀 MXA 在執行 5G 新空口調制分析時的相位噪聲設置。測量應用默認采用寬頻偏，以實現更好的調制分析。

相位噪聲優化 - 優化可為不同的工作條件 提供不同的相位噪聲特性。具體取決于型號和選件， 實際特性會略有不同。

如何測量超低的 EVM?

使用兩臺頻譜分析儀測量 WLAN 被測器件的 EVM

如果是在比較有挑戰性的條件下，例如當調制帶寬較高，導致信號更接近本底噪聲時，想要測量 WLAN 接收機測試中的誤差矢量幅度（EVM），您必須使用能夠去除分析儀噪聲的測試系統。測試系統需要將被測器件的噪聲與測量系統其余器件（包括分析儀）的噪聲隔離開來。

互相關 EVM（ccEVM）方法使用兩臺頻譜分析儀充當接收機，這兩臺頻譜分析儀分別捕獲和解調同一信號，然后抵消接收機帶來的無關噪聲，只剩下極低的 EVM。在 WLAN 接收機測試中，使用這種方法能夠準確、可靠地測量被測器件的 EVM，尤其是在頻率較高、帶寬較大的應用中。

測量 WLAN 接收機測試中的 EVM，需要去除接收機帶來的無關噪聲，只剩下極低的被測器件 EVM。Keysight WLAN ccEVM測試解決方案包含兩臺 N9032B PXA X 系列信號分析儀（頻譜分析儀）以及 N9077EM2E PathWave X 系列多點觸控應用軟件。測試系統通過比較兩臺分析儀測得的EVM，可以計算由被測器件產生的噪聲和減損而引起的真實 EVM，從而將被測器件的噪聲與測量系統其余部分的噪聲隔離開來。這種方法比之前使用一臺接收機測得的 WLAN EVM 更準確。

實現EVM測試突破

了解信號分析儀的功能和性能是確保實現準確且可重復測量的第一步。是德科技信號分析儀具有靈活而且經過優化的設置，可以對射頻元器件進行準確評測，獲得最佳的 EVM測試結果。

如需評估待測設備的真實特性，請使用相位噪聲性能更出色的信號分析儀進行調制分析。不要讓信號分析儀的相位噪聲成為制約 EVM測試的瓶頸。

您將學習一種在調制激勵條件下表征功率放大器非線性特性的創新方法。

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