1. 概述

數(shù)字正交調(diào)制和解調(diào)是現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中通用的信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的方式。數(shù)字調(diào)制中，通常利用極坐標(biāo)來(lái)表示數(shù)字矢量復(fù)數(shù)信號(hào)，即用I/Q坐標(biāo)來(lái)表示，其中I為極坐標(biāo)的0°位置，表示同相分量 (In-Phase Component) 。Q為極坐標(biāo)的90°位置，表示正交分量(Quadrature Component)。如圖1 (a) (b) 所示：

圖1. (a) 矢量信號(hào)的幅度-相位表示 (b) 矢量信號(hào)的IQ表示 (c) 矢量誤差

2. 傳統(tǒng)EVM的定義

矢量信號(hào)由數(shù)字基帶調(diào)制進(jìn)入DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）后，再進(jìn)入上變頻器和功放放大即可完成發(fā)射過(guò)程。由于發(fā)射電路本身的不理想特性，例如功放的非線性特性和上變頻的雜散，矢量信號(hào)的矢量會(huì)在發(fā)射過(guò)程中發(fā)生畸變，原有的矢量會(huì)偏離理想位置。誤差矢量是描述理想信號(hào)和實(shí)際信號(hào)偏差的向量，是星座圖上理想信號(hào)的矢量和實(shí)際解調(diào)后獲得的測(cè)量矢量的偏差向量。如圖1(c)所示的誤差矢量。

矢量信號(hào)質(zhì)量的量化表示中最主要的指標(biāo)是誤差矢量幅度，簡(jiǎn)稱EVM(Error Vector Magnitude)，即為誤差矢量復(fù)數(shù)的模值。誤差矢量的相位通常稱為相位誤差。在測(cè)量領(lǐng)域，EVM通常是多個(gè)采樣點(diǎn)的誤差矢量幅度的均方值(RMS)與理想信號(hào)矢量的均方值(RMS)的比值，如下式。其中N代表符號(hào)數(shù)量，Ci 表示第i個(gè)測(cè)量到的信號(hào)矢量，Ri表示第i個(gè)理想?yún)⒖夹盘?hào)矢量。均方值以統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)計(jì)算EVM，描述的是調(diào)制信號(hào)的總體誤差矢量的大小，而不是某個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻的結(jié)果，這樣的值對(duì)于通信信號(hào)的評(píng)價(jià)是很合理的。

式1

我們?cè)賮?lái)看看現(xiàn)有的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EVM的定義。以4G LTE的物理層射頻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 36.141為例，EVM的定義變成了如下式所示，理想?yún)⒖夹盘?hào)I(t,f) 信號(hào)為經(jīng)過(guò)測(cè)量設(shè)備解調(diào)重建后的理想信號(hào)，測(cè)量到的信號(hào)Z'_eq(t,f) 為經(jīng)過(guò)測(cè)量設(shè)備均衡后的解調(diào)信號(hào)。可以看到3GPP一致性測(cè)試方法是經(jīng)過(guò)FFT處理的，是針對(duì)每個(gè)子載波解調(diào)之后再計(jì)算EVM的，而且還有均衡和跟蹤補(bǔ)償算法，對(duì)最終的EVM測(cè)試結(jié)果都有影響。

式2

3．EVM的測(cè)量方法

根據(jù)無(wú)線移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EVM的定義，市面上的主流矢量信號(hào)分析軟件，例如羅德與施瓦茨公司的Vector Signal Analysis K70 (a) 或是德公司的89600 VSA (b) ，對(duì)EVM的測(cè)量方法和流程都是如下圖2所示。

圖2. (a) 羅德與施瓦茨公司VSA EVM測(cè)試流程 (b) 是德公司VSA EVM測(cè)試流程

總結(jié)起來(lái)，待測(cè)信號(hào)解調(diào)后會(huì)經(jīng)過(guò)兩個(gè)支路，一個(gè)支路是保持解調(diào)后的待測(cè)信號(hào)的原貌，另外一個(gè)支路是恢復(fù)并重建理想的參考信號(hào)。

圖3. VSA EVM測(cè)試流程總結(jié)框圖

有了這兩個(gè)參考額測(cè)量信號(hào)，就可以套用上述公式計(jì)算出誤差矢量的模值和相位。如下圖所示的羅德與施瓦茨公司的VSA對(duì)一個(gè)16QAM調(diào)制、100MHz符號(hào)速率的信號(hào)解調(diào)得到的EVM和相位誤差。

圖4. VSA EVM測(cè)試結(jié)果

3. DEVM的定義

在無(wú)線通信技術(shù)中，細(xì)心的工程師們還會(huì)發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)EVM叫做DEVM。例如下圖5所示的Skyworks的一塊802.11ax (Wifi6) 的射頻前端芯片模組，其中定義了802.11ax的發(fā)射信號(hào)質(zhì)量為-43dB DEVM (dB為EVM的百分?jǐn)?shù)取對(duì)數(shù)乘以10得到的對(duì)數(shù)值)。

圖5. Skyworks功放中的DEVM指標(biāo)

DEVM又是何方神圣，和傳統(tǒng)EVM有什么區(qū)別？在網(wǎng)絡(luò)上有限的資料中發(fā)現(xiàn)，DEVM的全稱是Delta EVM，或者Differential EVM，定義為如下表達(dá)式，即激勵(lì)I(lǐng)Q信號(hào)矢量和響應(yīng)IQ信號(hào)矢量的差值矢量模值。

圖6. DEVM定義

和EVM的定義如出一轍的DEVM，兩者區(qū)別究竟在哪里？根據(jù)DEVM的定義和筆者的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)中，歸納得出DEVM和EVM的區(qū)別如下表所示：

表1. EVM和DEVM逐項(xiàng)對(duì)比

4．DEVM的測(cè)量方法

是德和羅德與施瓦茨兩家公司都有測(cè)量DEVM的測(cè)試功能和軟件。是德公司采用高端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X的內(nèi)部接收機(jī)進(jìn)行DEVM測(cè)量。本文使用羅德與施瓦茨公司的VSA（EVM測(cè)試）和Amplifier（DEVM測(cè)試，從名字就可以識(shí)別出測(cè)試的是放大器兩端口器件）兩個(gè)測(cè)試軟件作為對(duì)比，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行EVM和DEVM測(cè)試在具體參數(shù)設(shè)置上的區(qū)別，影響結(jié)果的主要是均衡器是否開(kāi)啟。通過(guò)調(diào)節(jié)均衡器和測(cè)量結(jié)果長(zhǎng)度等參數(shù)，VSA和amplifier對(duì)同一信號(hào)（100 MHz符號(hào)速率, 16 QAM, RRC 0.2）的EVM測(cè)量結(jié)果基本一致。

圖7. Amplifier DEVM測(cè)試結(jié)果（DEVM在羅德與施瓦茨的軟件中也叫做RAW EVM）

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線移動(dòng)通信信號(hào)的解調(diào)，比對(duì)Amplifier的DEVM和LTE專用解調(diào)軟件對(duì)LTE test model的EVM結(jié)果，也能發(fā)現(xiàn)EVM的不同測(cè)量結(jié)果，如LTE 0.9% ，而Amplifier 1.1%。打開(kāi)Amplifier內(nèi)置的均衡器才趨近一致。

表2. LTE專用解調(diào)軟件EVM和DEVM的逐項(xiàng)對(duì)比

5．總結(jié)

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多新的測(cè)試結(jié)果定義被用來(lái)表征不同的待測(cè)件。DEVM就是從EVM發(fā)展引申出的新的測(cè)量方法，用來(lái)衡量器件對(duì)EVM的惡化程度。隨著5G終端和Wifi6（802.11ax）的大量應(yīng)用，DEVM還會(huì)越來(lái)越多的出現(xiàn)在大家的視野中。

此外，還有從phase noise引申出來(lái)的評(píng)價(jià)二端口器件如放大器的additive phase noise一樣，與DEVM類似的定義。且聽(tīng)下回分解。