EVM詳解

作者：愛集微 2024-09-18

來源：慧智微電子 #慧智微# #EVM#

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在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的核心評估體系中，EVM（Error Vector Magnitude，誤差向量幅度）是一項(xiàng)至關(guān)重要的性能指標(biāo)。幾乎在所有現(xiàn)行的通信標(biāo)準(zhǔn)中，都明確規(guī)定了EVM的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并且這一指標(biāo)還在隨著通信協(xié)議的不斷演進(jìn)而持續(xù)發(fā)展。

舉例來說，5G NR蜂窩系統(tǒng)和Wi-Fi7系統(tǒng)對發(fā)射通路EVM的要求如下表所示。EVM在兩種系統(tǒng)中都占據(jù)著重要位置，尤其是在Wi-Fi通信系統(tǒng)中，EVM甚至可能被視為Wi-Fi系統(tǒng)射頻性能評估中的首要指標(biāo)。

被廣泛使用的EVM究竟代表什么物理含義？為什么對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)如此重要？為什么EVM有%和dB兩種表示單位？EVM指標(biāo)又是如何計算及如何使用的？

我們帶著這些問題，試著重新詳細(xì)認(rèn)識“EVM”這一既常見又略顯神秘的重要性能指標(biāo)。

圖：5G NR發(fā)射通路的EVM要求

圖：Wi-Fi7發(fā)射通路對星座誤差（EVM）的要求

EVM的來源

左手?jǐn)?shù)字，右手模擬：重要的數(shù)字調(diào)制技術(shù)

在通信的早期時代，模擬通信系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位。信號作為模擬量，在幅度、頻率上進(jìn)行轉(zhuǎn)換及傳輸。然而，模擬信號抗干擾能力差、保密性差、傳輸距離受限，且難以支撐復(fù)雜的通信系統(tǒng)。于是，在20世紀(jì)80年代，隨著數(shù)字通信技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信技術(shù)逐漸從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)型。

圖：模擬通信技術(shù)向數(shù)字通信技術(shù)的轉(zhuǎn)換

在這一轉(zhuǎn)型過程中，數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為了關(guān)鍵。

在數(shù)字通信中，盡管信號處理已經(jīng)數(shù)字化，但數(shù)字“0”和“1”無法直接漂浮在空中，因?yàn)樽匀唤缰袀鬏數(shù)娜匀皇蔷哂刑囟ㄎ锢砹恐档哪M信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號仍需以某種形式映射到模擬信號上。而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息和模擬信號傳輸橋梁和映射的，正是數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

圖：數(shù)字調(diào)制技術(shù)完成的功能

常見的數(shù)字調(diào)制技術(shù)包括ASK（Amplitude Shift Keying，幅度鍵控）、FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）、QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）等。這些技術(shù)通過特定約定，建立起數(shù)字信號與模擬信號的對應(yīng)關(guān)系，然后通過改變模擬信號的不同參數(shù)來傳遞數(shù)字信息。

以16QAM舉例。16QAM信號數(shù)字信息和模擬信號的對應(yīng)可以由星座圖直觀反應(yīng)出來。下圖為16QAM調(diào)制下信號的星座圖表示。

圖：16QAM信號的星座圖表示

在16QAM的星座圖中，一共有16個點(diǎn)，所以可以代表16個不同的數(shù)字信息。每個點(diǎn)，就稱為一個符號（Symbol）位。在2進(jìn)制中，16可以由2的4次方來表示。所以16QAM中的每一個點(diǎn)，可以代表4位不同的2進(jìn)制信息。也就是常說的，16QAM中的每個符號代表4個bit的信息。

圖：左手?jǐn)?shù)字：16QAM中每個符號攜帶4個bit數(shù)字信息

在星座圖上，也可以顯示出來每個符號所對應(yīng)的模擬信息。比如對于位于A位置的信號，其幅度就為a，相位就為α。對于位于B位置的信號，其幅度就為b，相位就為β。有了幅度和相位，就可以相應(yīng)得出來唯一確定的模擬信號。

圖：右手模擬：16QAM中的符號與模擬物理信號的對應(yīng)

在數(shù)字信號的調(diào)制中，每一個符號都建立起數(shù)字和模擬的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。左手?jǐn)?shù)字，右手模擬，通過數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)，數(shù)字世界和模擬世界就此連接。

圖：數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)將模擬世界和數(shù)字世界相連

EVM：數(shù)字信號調(diào)制效果的裁判

在數(shù)字信號調(diào)制中，每個符號的所在位置都非常重要。雖然數(shù)字通信有較強(qiáng)的抗干擾能力，符號位置發(fā)生輕微偏移并不影響通信。但如果偏移位置較多，就可能造成信號傳輸?shù)恼`碼，造成信號傳輸?shù)腻e誤。

如何來衡量數(shù)字信號調(diào)制的實(shí)際效果是好還是壞呢？這時就引入了誤差向量（Error Vector）指標(biāo)。誤差向量反應(yīng)實(shí)際信號和理想信號之間的差別。

圖：誤差向量的引入

EVM的定義

在星座圖中，任何一個符號都有其對應(yīng)的理想位置，也即有確定的幅度及相位。但在實(shí)際信號中，總是會存在誤差。

誤差主要分為兩種，分別是幅度誤差（Magnitude Error），以及相位誤差（Phase Error）。幅度誤差反應(yīng)信號幅值的大與小，相位誤差反應(yīng)信號的超前與滯后。

圖：實(shí)際信號與理想符號之間的誤差

在實(shí)際應(yīng)用，可以用一個連接理想信號和實(shí)際信號的向量，把幅度誤差和相位誤差統(tǒng)一表示出來。這個向量就叫“誤差向量（Error Vector）”。

圖：誤差向量（Error Vector）

在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際信號和理想信號之間的距離更能反應(yīng)信號質(zhì)量的好壞，而不是兩個信號之間的角度差。所以會單獨(dú)把誤差向量的幅度（Magnitude）提取出來分析。這個幅度就是誤差向量幅度，英文名稱為Error Vector Magnitude，簡稱EVM。

圖：EVM的定義

需要注意的是，EVM是“誤差向量幅度（Error Vector Magnitude）”，和前述的幅度誤差（Magnitude Error）雖然名稱中有兩個英文單詞一樣，但卻不是一回事。幅度誤差只反應(yīng)兩者幅度之間的差別，而EVM反應(yīng)的是誤差向量的幅值。

EVM的計算

在對EVM進(jìn)行定性了解之后，就可以對EVM進(jìn)行計算。在計算中，有幾個細(xì)節(jié)需要注意。了解了這些細(xì)節(jié)，才能對EVM指標(biāo)有清晰de地了解。這些細(xì)節(jié)包含：

1. 選峰值還是選均值？EVM中的參考向量選擇

2. “%”和“dB”：EVM的兩種單位

3. 不同調(diào)制的EVM需求計算

4. 器件級連的影響：鏈路中的EVM

選峰值還是選均值？EVM中的參考向量選擇

雖然在前述定義中，EVM是一個反應(yīng)誤差向量幅度的“絕對值”，但在實(shí)際使用中，誤差向量幅度和有用信號幅度之間的“比值”比誤差向量幅度的絕對值更為有意義。所以在使用應(yīng)用中，EVM經(jīng)常會做歸一化使用。

EVM的歸一化有兩種方式，一種是對星座圖中的最大信號做歸一，另外一種是對信號的均方值（RMS）做歸一。兩種歸一化時，所參考的信號如下圖所求。

圖：EVM歸一幅度的兩種參考方式

對于EVM計算來說，以上兩種選擇方式均可，但需要在計算時明確做好約定。例如在Wi-Fi7協(xié)議中，就會明確約定歸一化選擇的功率為星座的“平均”功率，而非最大功率。

圖：Wi-Fi7協(xié)議中EVM計算的定義

“%”和“dB”：EVM的兩種單位

將EVM信號和實(shí)際信號進(jìn)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。

圖：歸一化后的EVM，用百分?jǐn)?shù)表示

在射頻的計算中，為了方便計算，方便地進(jìn)行數(shù)字的觀察處理，經(jīng)常會用dB為單位來表示倍數(shù)或者比例關(guān)系。比如對于功率來說，說3dB代表兩倍，10dB代表10倍，30dB代表1000倍等。這一方法同樣可以在EVM的表征中使用。EVM的dB和倍數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示。

需要說明的是，EVM的%計算時，所使用的是信號“幅度”之間的比值，而非功率。所以在進(jìn)行dB的轉(zhuǎn)換時，需要用到的是20*Log來轉(zhuǎn)換，而不是10*Log。在轉(zhuǎn)換時需要特別注意。

采用dB表示之后的EVM如下圖所示。

圖：采用dB表示的EVM

在不同使用中，為了使用方便，EVM的表征經(jīng)常會在%和dB兩種表示之間切換。為方便使用和轉(zhuǎn)換，整理二者對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

圖：采用%和dB表示的EVM相互轉(zhuǎn)換關(guān)系表

不同調(diào)制的EVM需求計算

了解了EVM的計算方法，我們就可以嘗試對不同調(diào)制的EVM需求進(jìn)行計算。以下以64QAM為例，討論計算過程。

對于64QAM信號，若以符號與符號之間的間隔為定為a，則如果一個符號偏離自己位置0.5a時，將會發(fā)生信號的誤碼。所以極限的EVM絕對值為0.5a。同時，計算64QAM信號的幅度均方值，可得其均方值為3.24a。此時計算64QAM的EVM為：0.5a/3.24a=15.4%，轉(zhuǎn)換為dB表示為-16.2dB。

圖：64QAM的EVM計算

同理，可以計算256QAM、1024QAM以及4096QAM下的EVM需求，計算結(jié)果如下表所示。

圖：不同調(diào)制下的EVM極限需求計算

通過上表可以看到，對于越高階的信號，其對EVM的要求也就越高。在理解上也相對直觀：高階調(diào)制下各符號在星座圖上的位置也更加靠近，就需要各符號更緊密的圍繞在理想符號周圍，來確保信號不出現(xiàn)誤碼。

器件級連的影響：鏈路中的EVM

在射頻發(fā)射及接收鏈路中，不同器件的非理想特性都會對EVM產(chǎn)生影響。對于多級鏈路，EVM影響可以由以下公式計算：

其中k表示不同的EVM來源序號。

采用以上公式時需要注意，以上要求計算各鏈路EVM的影響之間互不相關(guān)。另外，各EVM單位均為%。如果EVM已經(jīng)用dB表示，需要先將dB轉(zhuǎn)為%，再進(jìn)行計算。

在實(shí)際電路中，電路的非理想影響還可能表現(xiàn)在交調(diào)、相位誤差、LO泄露等多個方面，也有專門論文討論和分析各種非理想特性與EVM的對應(yīng)關(guān)系。有需要可以下載相應(yīng)的論文來參考 [7]。

一些論文也對EVM的來源進(jìn)行了分析和總結(jié)，比如在文章[3]中，在Wi-Fi7的射頻收發(fā)機(jī)芯片設(shè)計中，發(fā)射鏈路的EVM中的48%是由IMD所貢獻(xiàn)，20%由相位噪聲貢獻(xiàn)，32由帶內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)；在接收鏈路中，60%由熱噪聲貢獻(xiàn)，30%由相位噪聲貢獻(xiàn)，10%來自于其他。

另外，在觀察上一部分對EVM的理想計算，以及系統(tǒng)協(xié)議對發(fā)射EVM的要求，就會發(fā)現(xiàn)二者有明顯的差別。比如對于4096QAM信號，理論計算1.9%（-34.3dB）的EVM就可以完成傳輸，但Wi-Fi7協(xié)議中卻要求達(dá)到1.3%（-38dB）。

圖：EVM的理論要求及Wi-Fi7協(xié)議中的發(fā)射要求

二者存在區(qū)別的原因是還要考慮接收通路的解調(diào)對EVM的惡化。并且保持一定的余量來保證信號的誤碼率不受影響。

影響系統(tǒng)EVM的因素

EVM的定義和計算更多是從系統(tǒng)綜合表現(xiàn)維度來看，是多重影響下的表現(xiàn)結(jié)果。在一個通信系統(tǒng)中，可能會對EVM產(chǎn)生影響的原因比較多，常見的有以下影響：幅度影響、相位影響、IQ不平衡影響、其他影響。

幅度影響

通過星座可以看到，當(dāng)信號幅度發(fā)生變化時，將影響信號與理想信號之間的偏移，進(jìn)而影響EVM。

圖：幅度對EVM的影響

射頻通信中，功率放大器（PA）作為發(fā)射鏈路的重要單元，若其幅度出現(xiàn)非理想特性，將會對系統(tǒng)EVM的影響。

PA的幅度響應(yīng)曲線一般用AM-AM（Amplitude Modulation -Amplitude Modulation，幅度-幅度調(diào)制）來表示。AM-AM曲線的橫軸為輸出功率，縱軸為幅度的放大量，也就是增益。對于放大器，其AM-AM曲線一般形狀如下圖所示。

圖：放大器的AM-AM曲線

在以上曲線中，放大器有一定的增益，并且由于非理想效應(yīng)，或者所選用放大器的特殊架構(gòu)原因，其增益會在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。另外，在達(dá)到一定輸出功率時，由于放大器會出現(xiàn)功率飽和，無法無限制的輸出功率，所以對應(yīng)增益曲線也會下折下來。

由于調(diào)制信號不同符號位的幅度不同，所以就有可能對應(yīng)到放大器不同的輸入信號幅度上。如果這兩個符號位對應(yīng)的放大器的增益差別過大，就造成經(jīng)過放大器之后幅度相對關(guān)系發(fā)生變化。也就是EVM性能發(fā)生了惡化。

圖：放大器的AM-AM特性對EVM的惡化

正是因?yàn)檫@個原因，越先進(jìn)的通信制式對PA的AM-AM特性要求越高，越需要足夠平緩的AM-AM曲線。以64QAM到4096QAM的演進(jìn)為例，對PA的AM-AM曲線要求可表示為如下關(guān)系。

圖：不同調(diào)制對PA AM-AM曲線的要求

相位影響

在整個通信系統(tǒng)中，經(jīng)過非理想器件時，產(chǎn)生變化的不止是信號的幅度，還有信號的相位。同樣以功率放大器來說，其不同功率下相位的變化一般用AM-PM（Amplitude Modulation-Phase Modulation，幅度-相位調(diào)制）曲線來表示。和AM-AM曲線相同，AM-PM曲線變化的越劇烈，其對EVM的影響就會越明顯。

圖：AM-PM曲線

圖：相位對EVM造成的影響

IQ不平衡影響

在通信系統(tǒng)的構(gòu)建中，特定向量的產(chǎn)生一般通過I路和Q路兩個信號的加合來形成。合成中，均是假定I和Q路完全對稱。但在實(shí)際電路中，電路之間可能存在誤差。若I和Q路出現(xiàn)不平衡，則將使合成的信號位置產(chǎn)生誤差。例如，假定I路信號的幅度產(chǎn)生90%的偏移時，產(chǎn)生的EVM如下圖所示。

圖：IQ不平衡引起的EVM

其他影響

除了上述幅度影響、相位影響以及IQ不平衡影響，還有其他多種因素會對EVM產(chǎn)生影響。比如：相位噪聲、LO泄露、信號交調(diào)、其他頻率干擾等。影響EVM的因素可能是多方面的，在實(shí)際分析中，需要根據(jù)實(shí)際情況加以分析。

EVM的應(yīng)用

了解了EVM的物理意義、產(chǎn)生機(jī)理之后，就可以在應(yīng)用中使用EVM來指導(dǎo)電路設(shè)計，或者是問題解決。

在應(yīng)用中，EVM還可以和其他參數(shù)結(jié)合，以得到更多的信息。常見的和EVM結(jié)合分析的參數(shù)主要有：

1. EVM和功率的結(jié)合：分析器件最大功率

2. EVM和時間的結(jié)合：分析器件時域表現(xiàn)

3. EVM和頻率的結(jié)合：分析系統(tǒng)干擾頻率

EVM和功率的結(jié)合：分析器件最大功率

EVM和功率結(jié)合的分析方法經(jīng)常應(yīng)用在發(fā)射通路器件的評估中。

發(fā)射通路的重要器件是功率放大器（PA），在PA分析中，經(jīng)常會用到EVM和輸出功率結(jié)合的方式，來觀測PA的最大輸出能力。

下圖為慧智微某款Wi-Fi7 FEM的EVM與功率曲線。可以看到，在整體應(yīng)用區(qū)間，慧智微Wi-Fi7 FEM有著良好的EVM特性。隨著功率的升高，在達(dá)到標(biāo)稱功率之后，由于器件的飽和，EVM曲線開始惡化上升。當(dāng)EVM曲線達(dá)到指標(biāo)臨界時對應(yīng)的功率點(diǎn)，就為此FEM能工作的最大功率。如下圖慧智微Wi-Fi7 FEM產(chǎn)品，在維持-46~-47dB EVM性能時，可以達(dá)到17dBm輸出功率。

圖：慧智微Wi-Fi7 FEM EVM曲線

EVM和功率結(jié)合的分析方法也可以用來分析射頻收發(fā)機(jī)（Transceiver）的性能。下圖為典型射頻收發(fā)機(jī)輸出表現(xiàn)能力圖示，收發(fā)機(jī)EVM能力隨功率變化呈“浴盆曲線”形狀。在低工作功率水平下，EVM性能主要由系統(tǒng)的噪聲性能決定。在高工作功率水平下，EVM主要由系統(tǒng)的非線性決定。系統(tǒng)的最低EVM水平（EVM Floor）通常根據(jù)所有誤差源（包括相位噪聲）的組合來決定。

圖：典型射頻收發(fā)機(jī)輸出EVM能力的“浴盆曲線”

為了適配更大的功率范圍，射頻收發(fā)機(jī)會采用不用的功率模式進(jìn)行設(shè)計，以使工作功率的EVM值達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。下圖為某ADI收發(fā)機(jī)多檔位下EVM與功率的對應(yīng)曲線。

圖：ADI收發(fā)機(jī)EVM隨功率變化特性

EVM和時間的結(jié)合：分析器件時域表現(xiàn)

通過EVM與時間的結(jié)合，可以看出器件特性隨時間的變化。

EVM隨時間的變化曲線在Wi-Fi系統(tǒng)中尤其重要。Wi-Fi是一個TDD系統(tǒng)，在Wi-Fi信號傳輸過程中，發(fā)射和接收信號在快速進(jìn)行切換。但由于PA的穩(wěn)態(tài)建立需要一定的時間，在這個穩(wěn)定時間到來之前，不希望系統(tǒng)傳輸有用信息。而Wi-Fi系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在頭部的Preamble、header幀中帶有同步符號、樣本信號、傳輸參數(shù)等信息，這就需要PA快速建立，用來響應(yīng)幀頭部的重要信息。

圖：Wi-Fi的幀結(jié)構(gòu)信息

但對于PA電路，PA的偏置電流隨TDD脈沖不斷打開和關(guān)閉，PA電流的建立本身需要一段時間來響應(yīng)。另外，電流穩(wěn)態(tài)建立之前，PA的溫度也隨著電流的變化而變化，造成PA本身的增益、相位特性均在變化。因?yàn)閃i-Fi系統(tǒng)的EVM參考信息在Preamble中進(jìn)行傳輸，PA在Preamble及后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸中狀態(tài)的不一致，造成系統(tǒng)EVM的惡化。所以在Wi-Fi系統(tǒng)中，除了查看靜態(tài)EVM之外，還會重點(diǎn)查看DEVM（Dynamic EVM，動態(tài)EVM）。而器件隨時間變化的特性，也是DEVM惡化的來源。