WIFI EVM变差分析实例

WIFI EVM 变差分析实例
误差向量幅度[EVM]：Error Vector Magnitude ，误差向量(包括幅度和相位的矢量)是在一个给
定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差，能全面衡量调制信号的幅度误差和相位误差。

误差矢量信号定义示意图
在讲EVM 之前，我们先了解一下什么是I,Q,以及IQ 调制。

当前的数字射频芯片，无一例外
的用到了I/Q 信号，就算是RFID 芯片，内部也用到了I/Q 信号，然而绝大部分射频人员，对于IQ 的了解除了名字之外，基本上一无所知。

一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。

然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去观察或测量同一信号的变化。

人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但是这既难于产生更难于检测。

但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相（I ）和正交（Q ）分量。

这两个分量是正交的，且互不相干的。

下图中的QAM 调制器中I 和Q 信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是Q 信号
的相位与I 信号相差90o。

具体关系如下图所示，当I 的幅度为1的时候，Q 的幅度为0，而当I 的幅度为0的时候，Q 的幅度为1，两个信号互不相干，相位相差90o
，是正交的。

I ：in-phase 表示同相
Q ：quadrature 表示正交，与I 相位差90度。

下图为I,Q 信号关系：假设I=sin(x), Q 则为sin(x+90)
现在来解释I Q信号的来源：
最早通讯是模拟通讯，假设载波为cos(a)，信号为cos(b)，那么通过相乘频谱搬移，就得到了cos(a) * cos(b) = 1/2[cos( a + b) - cos(a - b) ]
这样在a载波下产生了两个信号，a+b和a-b,而对于传输来说，其实只需要一个信号即可，也就是说两者选择一个即可，另外一个没用，需要滤掉。

但实际上滤波器是不理想的，很难完全滤掉另外一个，所以因为另外一个频带的存在，浪费了很多频带资源。

进入数字时代后，在某一个时刻传输的只有一个信号频率，比如0，假设为900MHz，1假设为901MHz，一直这两个频率在变化而已，并且不可能同时出现。

这个不同于模拟通讯信号，比如电视机，信号的频带就是6.5MHz。

还有一个严重的问题，就是信号频带资源越来越宝贵，不能再像模拟一样这么简单的载波与信号相乘，导致双边带信号。

大家最希望得到的，就是输入a信号和b信号，得到单一的a+b或者a－b即可。

基于此目的，我们就把这个公式展开：
cos（a－b）＝cos(a)cos(b)＋sin(a)sin(b)
这个公式清楚的表明，只要把载波a和信号b相乘，之后他们各自都移相90度相乘，之后相加，就能得到a-b的信号了。

这个在数字通讯，当前的半导体工艺完全可以做到：
1：数字通讯，单一时间只有一个频点，所以可以移相90度。

2：相加器、相乘器技术很容易实现。

如下图：手机GSM射频部分
接下来就很好办了，大家知道I就是cos(b),Q就是sin(b)
对这两个信号进行组合：
cos(b), sin(b)
cos(b), -sina(b)
-cos(b), sin(b)
-cos(b), -sin(b)
这个就是IQ信号的四相调制了。

之后为了编码更多的，就在这个里面折腾了，注意，通过上面分析，大家知道IQ信号应该是正弦
波模拟信号，手机上的频率是66KHz ，大家在布线的时候一定要保证IQ 信号不被干扰，毕竟是模拟信号，不然相乘相加之后就有很多杂波产生了，这个就是杂散了。

极坐标图是观察幅度和相位的最好方法，载波是频率和相位的基准，信号表示为对载波的关
系。

信号可以以幅度和相位表示为极坐标的形式。

相位是对基准信号而言的，基准信号一般是载波，幅度为绝对值或相对值。

在数字通信中，通常以I 、Q 表示，极坐标中I 轴在相位基准上，而Q 轴则旋转90度。

矢量信号在I 轴上的投影为I 分量，在Q 轴上的投影为Q 分量。

下图显示和I 和Q 的关系
极坐标和直角坐标的转换 Mag
Phase
I 、Q 调制的主要优点是：既便于将两个独立信号分量组合成一个复合信号；相应地也可以将其复合信号分解为两个独立的部分。

大多数数字调制是在I 、Q 平面上将数据映射为许多离散的点，我们称这些点为星座。

当信号从一个点移向另一个点时，幅度调制和相位调制就同时完成了。

I
、Q 信号分别是在X 轴和Y 轴上的投影，合成矢量的幅度表示载波的幅度，合成矢量与X 轴的夹角表示载波相位。

因此可以通过改变I 、Q 驱动信号的幅度映射I-Q 空间中的任意一点。

在I 和Q 信号传送
的值只有预先定义的几个值，代表广泛不同的状态，一个调制的协议针对每个调制形式规定允许的状态数量。

M =atan Q I ϕ⎛⎫=
⎪⎝⎭
明白了I,Q的原理之后，我们再讲解EVM就比较好解释了，EVM具体表示接收机对信号进行解调时产生的IQ分量与理想信号分量的接近程度，是考量调制信号质量的一种指标。

误差向量通常与QPSK等M-ary I/Q调制方案有关，且常以解调符号的I/Q“星状”图表示.
误差向量幅度[EVM]定义为误差矢量信号平均功率的均方根值与理想信号平均功率的均方根值之比，并以百分比的形式表示。

EVM越小，信号质量越好。

EVM测试目的：验证发射机产生的波形是否足够精确，以使接收机达到指定的接收性能，802.11/a/b/g /n WLAN发射机的性能会直接影响产品质量。

在当今WLAN产品市场空间拥挤、利润微薄的情况下,提高质量无疑会使产品更具特色并增加其销售量还能减少退货并提高生产效益以及收益率。

但是发射机的性能很容易受到RF部分的设计选择、电路板布局及其实现方式、元件的变化及更替等因素的影响,并且会由于802.11a/b/g/n标准所要求的调制类型和频带的不同而变得更加复杂。

具有频谱分析仪、向量信号分析仪(VSA)及功率表(带信号分析软件如LitePoint的
IQview 802.11a/b/g WLAN测量方法及其相关的IQsignal软件包)能力的测试仪是分析大多数WLAN 发射机问题的必备工具。

利用频谱分析仪与功率表能力可以测量频率偏差、瞬态信号、相位噪声、同带信号传输功率、相邻信道功率及其它参数,而VSA能力则可以将特定的信号解调成正交分量,因此可将复杂的信号显示为具有幅度和相位特性的向量或者显示其完整的信号星座图。

信号分析软件可随之简化测量过程并同时提供性能测试的统计评估结果。

利用这些工具,可以在调制域、时域及频域进行测量,在设计过程与生产期间评估发射机性能并查找其故障。

此外,由于允许测量一个简单方便的品质因数——误差向量幅度(EVM),将表征发射RF信号的许多参数简化为单一参数,因此这些工具简化了802.11a/b/g所需的复杂波形分析。

在生产线测试中,EVM可作为合格与否的标尺以简化发射机的质量保证并提高测试吞吐量,而在设计过程中EVM则是一个很有价值的总体信号质量指标。

以下介绍一PCB特性阻抗变化导致EVM变差的实例
A PCB板厂在2412MHZ t7 EVM 能达到-32dbm
B PCB板厂在2412MHZ t7 EVM 只能达到-26dbm
而EVM小3个dmb会导致“无线覆盖距离缩短一半”，
在PCB板出货检测时，板厂会对需要阻抗管控的线路（一般非直线，阻抗量测误差会比较大）在板边模拟绘制成一条直线阻抗条（线宽与阻抗管控线路一致），以方便阻抗仪的量测，应该不会具体到哪一段线，但可作为那一段线路阻抗的参考；如下图：
测试板边阻抗条
如下为A厂与B厂PCB交料的阻抗量测数据
A厂主抗整体偏上限，其与B厂（阻抗偏中心值）的相比，平均大了有近3欧姆，如下图：
A板厂：B板厂
在此先介绍一下阻抗匹配中50欧姆的由来，对于宽度确定的走线，3个主要的因素会影响PCB 走线的阻抗。

首先，是PCB走线近区场的EMI（电磁干扰）和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的，高度越低意味着辐射越小。

其次，串扰会随走线高度有显著的变化，把高度减少一半，串扰会减少到近四分之一。

最后，高度越低阻抗越小，不易受电容性负载影响。

所有的三个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面。

阻止你把走线高度降到零的原因是，大多数芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线。

（这个规则的特例是可以驱动27欧姆的Rambus，以及National的的BTL系列，它可以驱动17欧姆）并不是所有的情况都是用
50欧姆最好。

例如，8080处理器的很老的NMOS结构，工作在100KHz，没有EMI，
串扰和电容性负载的问题，它也不能驱动50欧姆。

对于这个处理器来说，高的阻抗意
味着低功耗，你要尽可能的用细的，高的这样有高阻抗的线。

纯机械的角度也要考虑到。

例如，从密度上讲，多层板层间距离很小，70欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到。

这种情况，你应该用50欧姆，它的线宽更加宽，更易于制造。

通过量测如下PCB trace
用网络分析仪测SMITH 圆图如下
A板厂
B板厂
结论：在图中trace，B板厂比A板厂大了0.2dB 衰减，特性阻抗小了约17欧姆，考虑到整个线路与加入PA放大，衰减可大2至3dB
不良PCB送厂商检测分析结果如下：
切片及各类数据经分析确认，介质层厚度异常超规格；切片分析为压合用错PP导致，PP厚度要求
5.4±0.6mil,实测：2.954mil；
导致阻抗异常
附注：
pp片就是半固化片（Prepreg是Pre-pregnant的英文缩写），是树脂与载体合成的一种片状粘结材料。

A. 树脂—是一种热固型材料，为高分子聚合物，目前常用的为环氧树脂。

它具有三个生命周期满足压板的要求： A-Stage：是溴化丙二酚+环氧氯丙烷液体环氧树脂，为A-Stage的树脂，又称为凡立水（Varnish）。

B-Stage：是用玻璃纤维浸润于A阶的树脂中，经过热风，或者红外线烘干，部分聚合反应，成为固体胶片，称为B-Stage。

pp由半固化片和胶水组成，core可以理解为双面覆铜的pp
pp上的铜是pcb厂家电镀上的，其线路也是通过蚀刻出来的。

pp有很多规格，7628、1080等，不同规格的厚度、胶水含量、玻纤的密度都不一样，通常可以通过不同规格的玻纤组合来满足具体的板厚要求
如下为特性阻抗计算公式
由此公式得出，当绝缘层厚度H 变薄时，特性阻抗Z0 也相应变小，相对应B板厂特性阻抗偏低
名词解释：
频谱搬移
概念：在发射端将调制信号从低频端搬移到高频端, 便于天线发送或实现不同信号源,不同系统的频分复用
实质：频谱搬移的实质就是要产生两个不同频率（w1,w2）的信号的和频（w1+w2）信号和（或）差频
（w1-w2）信号。

最典型的频谱搬移电路：调幅电路
调幅电路是把调制信号(有用的信息)对载波信号进行调幅，使自己的波形能不失真地移到有极大频率的载
波信号的振幅上，在频谱上就表现为调制信号的频谱不失真地搬移到载波信号的频率的两边。

最终得到的调
幅信号是一个既有极大频率，又在振幅上表现了调制信号内容的信号 (载波信号在某一电压值按调制信号变化
规律变化的一种振幅调制信号)。

M(t) :调制信号 C(t): 载波信号 S(t): 调幅信号
相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。

是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。

当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。

常应用在科学领域，如数学、物理学等。

例如：在函数y=Acos(ωx+φ)中，ωx+φ称为相位。

比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。

i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。

随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负
的最大值变到零。

在三角函数中2πft相当于弧度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。

因此把2πft叫做相位，或者叫做相。

QAM调制：
QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。

相位 + 幅度状态定义了一个数字或数字的组合。

QAM的优点是具有更大的符号率，从而可获得更高的系统效率。

通常由符号率确定占用带宽。

因此每个符号的比特（基本信息单位）越多，效率就越高。

对于给定的系统，所需要的符号数为2n,这里n是每隔符号的比特数。

对于16 QAM，n = 4，因此有16个符号，每个符号代表4 bit：0000, 0001, 0010等。

对于64QAM，n = 6，因此有64个符号，每个符号代表6bit：000000，000001，000010。

输
出信号
网络
QAM调制器，信号被
分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8中
不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的
电平，而且I和Q两路信号有时正交。

这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐
标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射，I和Q一
共有8×8共64种组合状态，最后各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上为下图所显
示的64QAM星座图。

每一个星座点对应一个一定幅度和相位的模拟信号，这个模拟信号再被上变频到射频信号发射出去。

这里再顺便说明一下模拟调制和数字调制的区别：模拟调制和数字调制之间的差别在于调制参数。

在这两种方案中，改变的是载波信号的幅度、频率或相位（或是它们的组合）。

在模拟调制中载波参数按连续的模拟信息信号改变，而在数字调制中，参数（幅度、频率或相位）按离散的数字信息改变。