数字调制EVM定义不一致性问题及解决方案

 

导  读

从2G到5G移动通信，及其数字广播电视，数字调制都是关键基础技术。中国信息通信研究院泰尔系统实验室和中国计量科学研究院的联合研究指出：使用不同矢量信号分析仪测量具有一定失真的16QAM和64QAM数字调制信号的EVM值，同时通过数值仿真和解析计算得到相应的EVM理论值，对比这些结果，发现不同仪表中EVM的定义是不同的，其原因是数字广播电视技术标准和无线通信技术标准中EVM定义的不同，这种不同会导致测量误差和认知混乱。研究小组提出使用星座图的幅度峰均比作为修正系数的解决方案。同时，该研究小组建议采用统一的数字调制EVM定义，这是数字时代量值统一的内在要求。相关论文《Analysis on the Definition Consistency Problem of EVM Measurement and Its Solution》发表在近期的IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.论文作者是中国信息通信研究院泰尔系统实验室的周峰博士、纪锐博士、孙景禄先生和中国计量科学研究院的周鑫博士。

论文链接（可点击“阅读原文”访问）：

https://ieeexplore.ieee.org/document/8681612，

DOI: 10.1109/TIM.2019.2901561

研究背景

Error Vector Magnitude(EVM)是表征数字调制信号质量的重要参数，在数字无线通信、数字广播电视、数字光通信测试等领域有重要应用。在研究中，科研人员发现EVM的测量误差不仅仅和频率响应等硬件因素有关，而且和EVM本身的数学定义有关。

发现问题

在测量实验中，作者使用功率放大器的非线性来产生较大的64QAM数字调制信号的失真，显然随着PA的输入功率增加，则相应的数字调制误差也在增加。作者测量得到PA的AM-AM和AM-PM曲线，基于非线性仿真模型，得到了EVM的仿真值，在EVM仿真中依据无线通信技术标准的EVM定义：

式（1）中的S(n)和R(n)分别表示被测矢量序列和参考矢量序列，然后使用功分器将信号分别接入矢量信号分析仪A和矢量信号分析仪B，测量其EVM。则EVM的仿真值和两组测量值如图1所示。在本文的测量中，均测量EVM的RMS值，可以记做EvmRms。

图1  功放产生的非线性失真信号的EVM仿真和不同矢量信号分析仪的EVM测量值

这个现象不是PA引入的非线性误差所特有的。在进一步的实验中，我们设置信号发生器的I/Q增益不平衡度相位不平衡度，然后使用矢量信号分析仪B测量数字调制信号的误差。另一方面，我们可以根据解析公式计算相应的EvmRms.

以下列出4组实验测量结果和相应的计算结果。

图2  数字调制IQ Gain imbalance导致的16QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图3  数字调制IQ Phase imbalance导致的16QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图4  数字调制IQ Gain imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图5  数字调制IQ Phase imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

从图2-图5的解析值和测量值曲线来看，可知计算值和测量值存在明显差异，且比值趋近于一个常数。之前针对QPSK信号的测量中，计算值和测量值是一致的。这说明这种不一致现象主要存在于16QAM、64QAM等高阶数字调制信号的测量中。进一步的研究发现，其原因是矢量信号分析仪A中的EVM定义是依据无线通信技术标准的（如3GPP TS 36.101 version 13.2.1 Release 13）。，矢量信号分析仪B中的EVM定义是依据广播电视技术标准的（如ETSI TR 101 290 V1.2.1.Digital Video Broadcasting (DVB);Measurement guidelines for DVB systems）。

显然，(1)式和(3)式定义不同，这是测量结果不一致的主要原因。后来研究人员还发现，即使使用相同的矢量信号分析仪硬件，测量软件的版本不同，其EVM的定义也会有所不同，显然，这种定义的不同会导致测量中的混乱。

解决方案

在测量中如果参与EvmRms统计的符号数量足够多且在星座图上等概率分布，则可以认为：

其中km是该调制方式星座图的幅度峰均比，是一个常数。假设某调制方式的星座图定义上有L个点，分别对应的矢量是C(1)、C(2)、C(3)... C(i)... C(L).则有：

计算得到常用的星座图的幅度峰均比如表1所示。

表1  不同数字调制方式的km

基于(4)式可以对EVM测量结果进行修正，就前述矢量信号分析仪B的EVM测量结果，做修正后如下所示。

图6  功放引入的非线性失真信号的EVM仿真和不同矢量信号分析仪的测量值，其中矢量信号分析仪B的测量值经过了修正

图7  数字调制IQ Gain imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和修正过的测量值

显然，经过系数修正以后，测量结果的一致性改善了。在一些仪表中，和EVM类似的参量幅度误差Magnitude Error定义也有类似问题，也可以使用这样的方法做修正。

目前，这种乘以一个系数的修正仅仅是一个权宜之计，在涉及到OFDM信号的EVM测量中，由于不同的子载波上有可能采用不同的调制方式，所以这种方法未必是适用的。考虑到量值的统一性，同时考虑到无线广播电视技术和无线通信技术正在融合发展的事实，论文作者建议在国际范围内不同技术领域采用统一的EVM定义，相对而言(1)式的定义中分子和分母都是均方根值，数学上更自洽一些，如果采用（3）式的定义，调制阶数越高，其EvmRms越小，在逻辑上值得商榷。在国际范围内统一量值定义是根本的解决方案。

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校  审 | 陈  力、 珊  珊

编  辑 | 凌  霄

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