EVM与信噪比的关系以及802.11ac带来的挑战

我们知道,在OFDM调制方式的情况下,调制方式越高阶,则对EVM(误差向量幅度)的要求也就越高。其实信噪比(SNR)与EVM是可以相互转化的,本文简单探讨EVM与信噪比的关系以及IEEE 802.11ac对射频设计带来的挑战。

 WiFi-80211ac EVM与SNR

本站在多篇文章中提到EVM的基本概念,测试方法,EVM恶化原因以及调试方法等,但是在这里还是想再次介绍一下EVM这项参数的含义。EVM表征的是实际测试的信号和理想信号的矢量差。它的定义为

EVM-Defination 其中E为误差矢量(the error vector),R为参考矢量(the varied reference vector)。计算公式如下

EVM-Caculation 其中Z’(r)和R’(r)分别为测试得到的信号和参考信号。

EVM和SNR的关系为

EVM-SNR

注意这里的SNR是功率比,如果折算到db,需要进行10*log10(SNR)的计算。

在算法仿真EVM时,由于输入的理想信号已知,计算EVM时是将信号重新进行匹配滤波(RRC滤波器),并抽取到1x和原始信号进行比较得到。

实际系统中仪器测试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bit级,作为原始信号,然后再对原始信号进行扩频等处理后和测试信号进行比较得到EVM。分为复合EVM(composite EVM)和符号EVM(Symbol EVM)两种,复合EVM是对信号所有码道进行测试,而符号EVM是对某个码道进行测试,一般关注的是复合EVM。

composite-EVM

仪器测试复合EVM的方法

Symbol-EVM仪器测试符号EVM的方法

IEEE 802.11ac带来的射频设计挑战

802.11ac提高数据吞吐量所使用的最有趣的方法之一,就是256-QAM调制机制。过去,随着802.11a的发展,64-QAM调制曾被认为是所有无线通信标准中“最高阶”的调制模式。而802.11ac则是消费类电子领域中引入256-QAM的首个商用的无线标准,以满足不断增长的数据吞吐量要求。我们知道调制机制的“阶次”与每个符号所代表的比特位数之间的简单关系。

每个符号的比特位数=log2(调制阶次)

我们可以很容易地看到,简单的调制机制,例如BPSK(二进制相移键控)使用两个符号,因此每个符号可以产生1个比特位。相比较而言,一个更加复杂的调制机制,例如256-QAM则拥有更高的“阶次”,从而可以实现更高的数据速率。事实上,256-QAM中,每个符号可以产生8 个比特位(log2(256)=8)。 比较802.11 ac和802.11n,我们可以看到:对于能够实现256-QAM的环境条件,与传统的64-QAM机制相比,可以将数据速率提高33%。

有关调制阶次的一个有趣的问题是,我们可以看到发射机的调制质量与Shannon-Hartley原理之间关系紧密。要了解这一关系,一个简单的实例就是 802.11ac规范中对发射机相对星座误差(我们可以理解为EVM)的限制。更高阶次的调制类型,例如256-QAM,对于EVM的要求更为严格——这一点并不奇怪,因为EVM和SNR之间的关系非常紧密,正如我们前面所提到的。

EVM-Requirement 为了更好地说明SNR对调制阶次类型的影响,下图给出了一个256-QAM信号在各种SNR环境中的星座图。

SNR-vs-Symbol-Const

如256-QAM的星座图所示,32dB的SNR对于256-QAM信号解调来说足矣,不会产生明显的比特误差以及帧误差。相对而言,在一个具有较低信噪比的环境中,我们可以看到星座图中的拖尾效应,这在27dB或者更低信噪比的环境中尤为明显。在这些信道环境条件下,一个给定的 WiFi接入节点无法使用256-QAM模式维持通信,只能使用较低阶次的调制模式时以维持一定范围内的帧误差率。这一示例表明了Shannon-Hartley原理中所描述的SNR与数据吞吐量之间的关系。

诸如802.11 ac的下一代无线通信标准,可以为消费者带来数据传输速率的显著提升,然而这同时也使得设计和测试这种无线产品充满挑战。当今的工程师必须要面对复杂的多通道无线测试,如8×8 MIMO。此外,可选的160MHz规范的带宽要求非常高,工程师们必须随着带宽的不断增加,确保设计的高质量。

在我看来,802.11ac给射频工程师带来的最大挑战就是发射链路的EVM以及接收链路的噪声系数。为了保证EVM,工程师需要在射频功率放大器的设计上下更大的功夫,选择线性度更好的器件,为功率放大器提供更干净的电源;为了降低接收链路的噪声系数,工程师需要挑选噪声系数更小的低噪声放大器,据我所知,英飞凌已经针对802.11ac的应用发布了最新的低噪声放大器。

2 thoughts on “EVM与信噪比的关系以及802.11ac带来的挑战

  1. 最近在调试qca9880的射频部分,发现-32的EVM确实比较难,而且为了保证量产通过率还需要调到-34左右。在IQxel的设置中channel estimation这一项有LTF 和DATA两个选项,默认是LTF,data应该类似于之前的full pack。不知道alex测试的时候开不开启data,两种设置下的EVM结果相差还是很大的,在LTF基本也就在-31和-33之间跳动,使用data能稳定在-36.都是在HT80 VTH9情况下测试

    1. 我之前调试的时候还好,尤其是功率较小的时候,可以达到很好的EVM。DATA确实相当于以前的全包,我这边产测的时候也是开了这个的。

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