Error vector magnitude что это
Величина вектора ошибок (EVM) является измерением модулятора или эффективностью демодулятора в присутствии ухудшений. По существу EVM является векторной разностью в установленный срок идеала (переданный) сигнал и измеренного (полученного) сигнала. Если используется правильно, эти измерения могут помочь в идентификации источников ухудшения сигнала, таких как: шум фазы, неустойчивость I-Q, амплитудная нелинейность и искажение фильтра
Эти типы измерений полезны для определения производительности системы в приложениях связи. Например, определение, если система EDGE соответствует 3GPP радио-стандарты передачи, требует точной RMS, EVM, Пикового EVM и 95-й процентили для измерений EVM.
Пользователи могут создать объект EVM двумя способами: использование объекта по умолчанию или путем определения пар значения параметров. Как задано 3GPP стандарт, единица измерения для RMS, Максимума и Процентили измерения EVM является процентилью (%). Для получения дополнительной информации смотрите EVM Measurement или comm.EVM страница справки.
Измерение точности модулятора
Обзор
Communications Toolbox™ обеспечивает два блока, которые можно использовать для измерения точности модулятора: EVM Measurement и MER Measurement .
Этот пример тестирует передатчик EDGE на ухудшения разработки системы с помощью измерений EVM. В этом примере блок EVM Measurements сравнивает идеальный опорный сигнал с измеренным сигналом, и затем вычисляет RMS EVM, максимальный EVM и процентиль значения EVM. Согласно стандарту EDGE [1], величина вектора ошибок полученного сигнала, вычисленного относительно переданной формы волны, не должна превышать следующие значения:
Технические требования измерения стандарта EDGE [2]
| Измерение | Мобильная станция | Базовая приемопередающая станция | ||
|---|---|---|---|---|
| Нормальный | Экстремальное значение | Нормальный | Экстремальное значение | |
| RMS | 9% | 10% | 7% | 8% |
| Пиковый EVM | 30% | 30% | 22% | 22% |
| 95-я процентиль EVM | 15% | 15% | 11% | 11% |
Этот пример использует эту модель.
Структура
Модель по существу содержит три части:
Следующие разделы примера содержат описания для каждой части модели.
Передатчик. Следующие блоки включают передатчик:
Блок Random Integer Generator симулирует случайную генерацию данных. Стандарт EDGE указывает, что передатчик выполняет измерения во время полезной части пакета – исключая биты хвоста – по крайней мере по 200 пакетам. В этом режиме передатчик производит 435 символов на пакет (9 дополнительных счетов символов на задержки фильтра). Блок Phase Offset предоставляет непрерывное вращение фазы 3π/8 сигналу. В целях синхронизации блок Upsample сверхдискретизировал сигнал на коэффициент 4.
Блок Discrete FIR Filter обеспечивает линеаризацию импульса GMSK, основной компонент в разложении Лорана модуляции GMSK [3]. Функция помощника вычисляет коэффициенты фильтра и использует КИХ-цифровой фильтр прямой формы, чтобы создать эффект формирования импульса. Нормализация фильтра обеспечивает усиление единицы в основном касании.
Блок I/Q Imbalance симулирует ухудшения передатчика. Этот блок добавляет вращение в сигнал, симулируя дефект в передатчике под тестом. I/Q amplitude imbalance является 0.5 дБ и I/Q phase imbalance является 1 °.
Ухудшения приемника. В этой модели блок Receiver Thermal Noise представляет ухудшения приемника. Эта модель принимает 290 K теплового шума, представляя недостатки оборудования под тестом.
Вычисление EVM. Вычисление EVM полагается на следующие блоки:
Блок измерения EVM вычисляет векторную разность идеального опорного сигнала и сигнала, которому повреждают. Выход КИХ-фильтра обеспечивает Reference введите для блока EVM. Выход блока Noise Temperature обеспечивает сигнал, которому повреждают, в Input порт блока EVM.
В то время как блок имеет различные опции нормализации в наличии, стандарт EDGE требует нормализации на Average reference signal power . В целях рисунка в этом примере, блок EVM выходные параметры RMS, максимум и значения измерения процентили.
Экспериментирование с моделью
Запустите модель путем нажатия на кнопку воспроизведения в окне модели Simulink.
Исследуйте выход блока EVM и сравните измерения с пределами в таблице EDGE Standard Measurement Specifications.
В этом примере блок EVM Measurement вычисляет следующее:
Худшая RMS случая EVM на пакет: 9,77%
Пиковый EVM: 18,95%
95-я процентиль % EVM:14.76
В результате этот симулированный передатчик EDGE проходит тест EVM для Мобильной Станции при экстремальных условиях.
Дважды кликните блок I/Q Imbalance.
Введите 2 в I/Q Imbalance (dB) и нажимают OK.
Кликните по кнопке воспроизведения в окне модели Simulink.
Исследуйте выход блока EVM. Затем сравните измерения с пределами в таблице EDGE Standard Measurement Specifications.
В этом примере блок EVM Measurement вычисляет следующие результаты:
Худшая RMS случая EVM на пакет: 15,15%
Пиковый EVM: 29,73%
95-я процентиль EVM: 22,55%.
Эти значения EVM явно недопустимы согласно стандарту EDGE. Можно экспериментировать с другими значениями разбаланса I/Q, исследовать удар на вычисления и сравнить их со значениями, введенными в таблице.
Ссылки
[3] Лоран, Пьер. “Точная и аппроксимированная конструкция цифровой фазовой модуляции суперпозицией амплитуды модулировала импульсы (AMP)”. Транзакции IEEE на Коммуникациях. Издание COM-34, № 2, февраль 1986, стр 150-160.
Величина вектора ошибки
Величина вектора ошибки или EVM является мерой отклонения переданных символов от идеального созвездия . Он служит параметром усиления сигнала и шума приемника, а тем временем превратился в стандартное значение для мобильных радиосистем. Обычно EVM выражается в децибелах (дБ) или процентах.
Шум, искажения и мешающие сигналы приводят к ухудшению принимаемого сигнала, и EVM предлагает эталон качества цифровых радиопередатчиков или приемников, таких как Б. Wi-Fi , DVB или LTE . EVM передатчика можно определить с помощью специальных анализаторов сигналов и спектра . Во время демодуляции IQ созвездия в фазовой модуляции или QAM, угла и расстояние до желаемых (идеальных) точек определяются.
Оптимизация приемника при помощи анализа модуля вектора ошибки
На рис. 1 изображена векторная диаграмма, на которой показаны два вектора — опорный вектор, R (k), и реальный измеренный вектор, Z (k), который соответствует траектории принятого символа. Опорный вектор определяет координаты идеальной траектории символа при отсутствии ошибок. Разность между опорным вектором и вектором реально измеренного символа называется вектором ошибки.
Модуль вектора ошибки (EVM, error vector magnitude) представляет собой евклидово расстояние между координатами идеального и реально измеренного символов. В общем случае, EVM усредняется по ансамблю траекторий символов и описывается следующим выражением:
Таким образом, параметр EVM является мерой отношения вектора ошибки к опорному вектору. В совершенной системе, в которой отсутствуют шумы и нелинейности, способные внести искажения в сигнал, измеренный и опорный векторы совпадали бы, и EVM был бы равен нулю. Рассмотрим влияние отношения «сигнал — шум» (ОСШ) для принимаемого символа. При очень большом ОСШ разница между измеренным и опорным векторами, обусловленная шумом и искажениями, очень мала, а EVM стремится к нулю. И, наоборот, большое значение EVM подразумевает, что вектор измеренного символа значительно отличается от идеального опорного вектора, что может быть вызвано только шумом и искажениями (при условии, что при задании опорного вектора не была допущена ошибка). Таким образом, ОСШ и EVM модулированного сигнала связаны друг с другом обратной зависимостью, которая описывается уравнением:
где L — это выигрыш за счет кодирования.
Для нахождения зависимости между EVM и BER необходимо определить, как связаны друг с другом ОСШ и вероятность ошибки на символ для конкретной схемы модуляции. Вероятность ошибки на символ для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) описывается выражением (3):
где M — порядок модуляции (например, 64 для 64-QAM), γb — среднее значение ОСШ на бит, k — число битов на символ (например, 6 битов на комплексный символ для 64-QAM).
Используя выражения (2) и (3), можно построить зависимости частоты ошибки на символ (SER, symbol error rate) и EVM от ОСШ. Зависимость SER от ОСШ показана на рис. 2а. Для форматов QAM с различным порядком она имеет классический вид типа «водопад». Для тех же схем модуляции на рис. 2б изображены зависимости EVM от ОСШ. С помощью этих зависимостей разработчики могут оценить значение частоты ошибок на бит для конкретного приемника. Например, если измеренное значение EVM для некодированного сигнала с модуляцией 256-QAM равно 3%, то ожидаемая частота ошибок на символ составит 600 млн –1 . Другими словами, в последовательности из 10 000 символов в среднем 6 символов будут ошибочными, что соответствует 75 ошибочным битам в последовательности из 1 миллиона битов (BER = 7,5×10 -5 ).
Используя зависимости, показанные на рис. 2, а также подходящий векторный анализатор сигналов, разработчик может достаточно быстро оптимизировать производительность системы. Это достигается путем контроля значения EVM при изменении таких характеристик сигнального тракта, как тип фильтра, межкаскадное согласование и усиление преобразования. Рис. 3 иллюстрирует некоторые распространенные искажения сигнальных созвездий, которые могут возникать в реальной системе. На основании формы сигнального созвездия можно сделать определенные выводы о природе шумов или искажений, являющихся потенциальной причиной ухудшения EVM.
Error vector magnitude что это
Следует подчеркнуть здесь особенности использования терминов, относящихся к частотным характеристикам ССПО.
В регламентирующих документах ССПО термин “полоса частот” ( band ) принято относить ко всему спектру частот, отведенному для функционирования системы связи определенного стандарта. Так, например, полоса частот, используемая системами стандарта GSM900, занимает 890 - 915 МГц и 935 - 960 МГц, в то время как термин “канал” ( channel ) относится к полосе частот, занимаемой в системе только одним пользователем, т.е. 200 кГц в GSM. Таким образом, качество приемопередатчика обычно определяется его параметрами в трех частотных областях: канальной ( in-channel ), внеканальной ( out-of-channel ) и внеполосной ( out-of-band ).
Рис. 1. Канальные, внеканальные и внеполосные области частот
Внутриканальные параметры определяют качество связи с оценкой следующих основных характеристик:
Внеканальные параметры определяют величину помех, создаваемых данным абонентским оборудованием другим пользователям системы:
Внеполосные параметры определяют величину помех, создаваемых системой связи другим пользователям радиоспектра. При этом производят, например, оценку перекрестных ( cross band spurious ) и широкополосных помех ( wideband spurious ).
Нормативными документами Международного Союза Электросвязи ITU введены следующие определения:
Для того чтобы сформировать технические требования для передающего устройства ССПО, должны быть заранее известны следующие общие параметры системы:
Как правило, детализированные требования, предъявляемые к основным характеристикам передающих устройств, приводятся в соответствующих нормативных документах на ССПО. Например, стандарт [3GPP TS 25.142 V3.4.0 Base station conformance testing (TDD), раздел 15] определяет следующие параметры, подлежащие обязательной проверке при аттестационных испытаниях (тестировании) базовых станций систем подвижной связи третьего поколения UTRA.
Максимальная выходная мощность
Maximum output power
Стабильность частоты
Frequency stability
Динамика выходной мощности
Output power dynamics
Управление мощностью во внутренней петле
Inner loop power control
Шаги управления мощностью
Power control steps
Динамический диапазон управления мощностью
Power control dynamic range
Минимальная передаваемая мощность
Minimum transmit power
Мощность в основном канале CCPCH
Primary CCPCH power
Передаваемая мощность в режиме отключения
Transmit OFF power
Спектр выходного сигнала
Output RF spectrum emissions
Занимаемая полоса частот
Occupied bandwidth
Внеполосные излучения
Out-of-band emission
Спектральная маска излучений
Spectrum emission mask
Коэффициент утечки мощности по соседнему каналу
Adjacent Channel Leakage power Ratio (ACLR)
Побочные излучения
Spurious emissions
Обязательные требования
Mandatory requirements
Совместимость с GSM 900
Co-existence with GSM 900
Совместимость с DCS 1800
Co-existence with DCS 1800
Совместимость с UTRA FDD
Co-existence with UTRA FDD
Интермодуляция в передатчике
Transmit intermodulation
Модуляция в передатчике
Transmit modulation
Точность модуляции
Modulation accuracy
Пиковая ошибка кодовой области
Peak code domain error
Коэффициент битовых ошибок BER является самым лучшим показателем, позволяющим оценить качество приемопередатчика, но BER тестирование не всегда возможно при разработках РЧ блока, ведь для измерения BER наряду с РЧ блоком необходимо наличие информационного тракта ( Baseband Section ) для полной цифровой обработки принятого сигнала. Кроме того, оценка BER может показать, что проблема качества устройства существует, но она не дает возможности выявить источник проблемы. Альтернативным измерению BER видом тестирования является исследование качества демодулируемого сигнала с помощью векторного анализа.
Одним из наиболее широко используемых количественных показателей качества модуляции в цифровых системах связи служит величина вектора ошибки EVM ( Error Vector Magnitude ) .
В общем случае вектор ошибки EV - векторное различие между идеальным опорным сигналом ( ideal reference signal ) и измеряемым сигналом ( measured signal ) .
Не следует путать величину (амплитуду) вектора ошибки ( magnitude of the error vector ) с ошибкой амплитуды ( magnitude error ), и фазу вектора ошибки ( phase of the error vector ) с ошибкой фазы ( phase error ). Графическое изображение этих различий показано на рис. 2 ниже.
Рис. 2. Графическое представление вектора ошибки EVM
Вектор ошибки содержит амплитудную и фазовую компоненты. Выражаясь по-другому можно сказать, что вектор ошибки - остаточный шум и искажения, остающееся после того, как удалена идеальная версия сигнала.
Для вычисления величины (амплитуды) вектора ошибки EVM для каждого символа сигнала необходимо найти значения вектора ошибки как разность между идеальным опорным положением сигнальной точки и положением сигнальной точки реального измеряемого сигнала.
Как правило, величина вектора EVM нормализуется относительно среднеквадратичного значения ( root-mean-square, rms ) мощности символа:
EVM = (среднеквадратичное значение вектора ошибки / среднеквадратичное значение мощности символа) x 100 %.
Значение вектора EVM дает возможность определить источники ошибок и их вклад в процесс формирования и обработки сигналов в цифровых системах. Он чувствителен к любому ухудшению качества сигнала, влияющему на величину и фазовую траекторию демодулируемого сигнала.
Перед измерением EVM необходимо произвести нормализацию измеряемого сигнала.
Существует регулярные искажения созвездия, образно говоря, видные глазом: смещение DC, амплитудный и фазовый разбаланс и т.д. Все они при измерении EVM должны предварительно быть скомпенсированы. Т.е. все ошибки, которые можно легко устранить, должны быть устранены. В результате на сигнальном созвездии остаются шумы, дискретные помехи в тракте опорного и принимаемого сигнала и фазовые искажения.
Практически измерение величины EVM чаще всего происходит с использованием так называемого двухточечного метода. При этом на вход измерителя EVM наряду с исследуемым сигналом подается идеальный опорный сигнал.
При одноточечном методе опорный сигнал формируется непосредственно из исследуемого (принятого) сигнала.
Недостатком данного метода является необходимость использования дополнительных устройств и узлов получения исходной символьной последовательности (демодулятор) и формирования опорного сигнала (модулятор).
К сожалению, временная форма сложных сигналов, используемых в современных ССПО, не позволяет определить степень искажения сигнала из-за свойствененного ей случайного характера и изменчивости. Чтобы извлекать полезную информацию из этого шумоподобного сигнала, необходимо статистическое описание уровней мощности этом сигнале, и дает это широко используемая в настоящее время кривая интегральной функции распределения CCDF ( complementary-cumulative-distribution-function ).
Рис. 3. Интегральная функция распределения CCDF для сигналов QPSK (красный) и 16QAM при a=0,5
Функция CCDF показывает, сколько времени сигнал равен или превышает определенный уровень мощности и отображает, по сути дела, динамику огибающей сигнала.
Рис. 4. Интегральная функция распределения CCDF для нефильтрованного 16QAM сигналов и при a=0,8; a=0,5 и a=0,3
Уровень мощности выражается в децибелах относительно средней мощности. Например, каждая из линий поперек сигнала, показанного на рис. 4 представляет уровень удельных мощностей выше среднего уровня.
С помощью кривых CCDF можно определить ряд важных характеристик при проектировании и эксплуатации РЧ устройств:
Однако сжатие сигнала может быть легко обнаружено путем сравнения CCDF входного сигнала и усиленного выходного сигнала, что иллюстрирует рис. 5. Этот эффект делает CCDF хорошим индикатором оценки степени линейности тракта передачи, в частности уровня компрессии сигнала в УМ.
Рис. 5. Использование интегральной функции распределения CCDF для оценки нелинейности УМ (уровень ограничения 1,8 дБ) при усилении QPSK сигнала
Для сравнения на рисунке ниже показаны векторные диаграммы на входе и выходе усилителя с ограничением. Эффект ограничения проявляется в “срезании” выбросов сигнальных траекторий по углам диаграммы. Такой метод выявления искажений является все-таки менее наглядным и эффективным по сравнению с CCDF, позволяющим сразу выявлять очень тонкие нарушения в структуре модулированного сигнала. Правда, использование интегральной функции распределения требует наличия необходимой вычислительной мощности и программного обеспечения в измерительном устройстве.
Рис. 6. Векторные диаграммы на входе и выходе усилителя с ограничением
Использование большинства из упомянутых характеристик при проектировании РЧ блоков требует достаточно сложных и дорогих измерительных приборов. Имеются несколько измерительных приборов, позволяющие измерять все аспекты линейной и нелинейной характеристик функциональных устройств, выпускаемых ведущими компаниями-производителями (Agilent, Acterna, Rohde&Schwarz). Большинство испытаний может быть выполнено с помощью векторного анализатора. Для более точных испытаний применяют дополнительно цифровые сигнал-генераторы и анализаторы спектра. Однако, грамотный подход при проектировании трактов приема и передачи из готовых компонентов с учетом характеристик, приводимых фирмами-изготовителями, приведет к лучшим результатам.
Заключение
Измерение EVM и связанных с ним величин позволяет оценить качество цифрового радиоприемника. Кроме того, при правильном применении методы анализа EVM позволяют идентифицировать вид искажений сигнала и, следовательно, конкретное место возникновения ошибок. Таким образом, анализ EVM представляет собой удобный инструмент для оптимизации сигнального тракта и предсказания динамических характеристик системы.
Пример оптимизации: подсистема трактов ПЧ и модулирующих частот AD8348/AD8362
На рис. 4 показана приемная подсистема для переноса сигнала из области ПЧ в область модулирующих частот с замкнутым контуром автоматической регулировки уровня (automatic level control — ALC), основанная на квадратурном демодуляторе и детекторе среднеквадратической мощности. Микросхема AD8348 обеспечивает точную квадратурную демодуляцию сигналов с частотой от 50 МГц до 1 ГГц. Внутренний делитель частоты гетеродина позволяет работать с частотой гетеродина, равной удвоенной частоте несущей, что облегчает решение проблемы, связанной с паразитным захватом частоты гетеродина (LO-pulling) в полнодуплексных трансиверах. В рассматриваемом примере входной сигнал имеет частоту (ПЧ), равную 190 МГц, а сигнал гетеродина имеет уровень, равный 10 дБм, и частоту, равную 380 МГц. Интегрированный входной усилитель с переменным коэффициентом усиления (variable gain amplifier — VGA), состоящий из резистивного переменного аттенюатора и пост-усилителя с высоким значением IP, обеспечивает переменный коэффициент усиления при сохранении постоянного динамического диапазона, свободного от побочных составляющих. Микросхема AD8362 — это прецизионный измеритель мощности, способный измерять среднеквадратическое значение мощности сигналов в диапазоне от произвольных низких частот до 2,7 ГГц. Данная микросхема не чувствительна к изменению пик-фактора сигнала, что делает ее подходящим решением для измерения истинной среднеквадратической мощности сигналов с цифровой модуляцией.
В схеме на рис. 4 обеспечивается измерение среднеквадратической мощности сигнала в полосе модулирующих частот, поступающего с синфазного канала. Выбор синфазного или квадратурного канала для детектирования произволен, если вектора I и Q имеют псевдослучайный характер, что соответствует истине для большинства схем цифровой модуляции. На основании результата измерения среднеквадратической мощности интегрированный усилитель ошибки формирует управляющий сигнал, подаваемый на вход управления усилением квадратурного демодулятора. Замкнутый контур регулировки адаптивно подстраивает усиление преобразования демодулятора для поддержания постоянного среднеквадратического уровня мощности модулирующего сигнала независимо от его формы. Выходной уровень задается подачей соответствующего напряжения контрольной точки на вывод VSET. Для нахождения оптимальной контрольной точки в схеме ALC и определения подходящего фильтра для цифровой модуляции 256-QAM со скоростью 1 Мсимвол/с использовался метод анализа вектора ошибки.
Несимметричные сигналы с выхода демодулятора подаются на фильтр нижних частот. Для минимизации широкополосного шума и подавления мешающих смежных каналов приема в обоих каналах, I и Q, использовались фильтры Бесселя четвертого порядка. Выбор в пользу фильтра Бесселя обусловлен его малой групповой задержкой, что является необходимым требованием для минимизации межсимвольных помех. На этапе тестирования сначала использовались фильтры Баттерворта и Чебышева, но из-за большей групповой задержки в полосе пропускания значения EVM в системе были хуже. С помощью анализатора сигналов можно очень быстро измерить показатели системы, что позволяет подобрать оптимальную схему фильтра за короткий промежуток времени.
Для измерения EVM в полосе модулирующих частот использовался векторный анализатор сигналов FSQ8 производства Rohde&Schwarz. Оптимальное значение напряжения контрольной точки было найдено путем изменения этого напряжения и наблюдения соответствующего значения EVM. Как показано на рис. 5, при правильном выборе контрольной точки EVM составляет не более 2% в диапазоне входных уровней, превышающем 40 дБ. На рис. 6 показано экспериментально полученное сигнальное созвездие для модуляции 256-QAM. Переменное усиление преобразования демодулятора позволяет создавать схемы, обладающие оптимальными характеристиками BER в более широком динамическом диапазоне, чем при использовании модуляторов с фиксированным коэффициентом усиления.
Рис. 7 иллюстрирует показатели EVM для модуляции QAM меньших порядков при той же ширине полосы сигнала. Для достижения адекватных значений BER при использовании схем модуляции более низкого порядка требуется меньшее ОСШ. Поэтому неудивительно, что для таких схем модуляции показатели EVM еще лучше, а динамический диапазон — немного больше.
Значение EVM можно оценить по напряжению RSSI (Received Signal Strength Indication, индикация уровня принимаемого сигнала) микросхемы AD8362. На рис. 8 показаны результаты измерений напряжения RSSI для нескольких схем модуляции. Зная напряжение RSSI, можно определить уровень мощности сигнала на входе демодулятора с приемлемой погрешностью, который затем может быть использован для предсказания значения EVM при этом уровне входной мощности.
определение
Вектор ошибки - это вектор в комплексной плоскости IQ диаграммы созвездия между идеальной и принятой точкой созвездия. В результатах значения EVM , как корень среднего квадрат вектора ошибки и эталонной мощность, как правило , измеряется в течение нескольких символов:
где P error - это среднеквадратическое значение вектора ошибки. Для одно- модуляций носителей, то большая сила, то есть крайние точки созвездия, обычно используются для P ссылки , в то время как средняя ссылка мощность используется в методах модуляции с множеством несущей.
Содержание
Читайте также: