微波射頻網 發表於 2021-01-02 18:22:00
移動通信技術對數據傳輸速率要求越來越高。一種提高傳輸速率的思路是使用更高階的QAM 調製方式，例如5G NR 的256QAM PDSCH，微波的1024QAM，2048QAM和4096QAM 調製。更高階的QAM 調製方式對系統也提出了更高的要求。例如某個系統的EVM 測試結果為3%，這個EVM 算好還是不好，單純從數值看似乎很好，但是EVM 的好壞與否不僅要看數值，還要看其調製階數，不同調製階數對EVM要求不同。直觀來看，更高階QAM 調製方式對EVM 有更高要求，但是具體要求是多少？例如對1024QAM 調製，EVM 要小於多少才能實現正常通信？本文主要討論這個問題。EVM確定了，就可以指導系統信噪比SNR（SIGNAL NOISE RATIO）的指標分解和預算。
例如3GPP TS38.141對5G NR 不同調製方式的PDSCH EVM 要求如下表，從表中也可以看到隨著調製階數的提高，EVM 的要求在不斷提高，這些EVM 是怎麼定出來的？目前已經有客戶開始測試1024QAM 的PDSCH，TS38.141 沒有給出1024QAM 的EVM 要求，在測試的時候1024QAM EVM多少才算通過？本文將會給出答案。
表1、TS38.141對不同階QAM EVM指標要求
Modulation scheme for PDSCH Required EVM (%) QPSK 18.50% 16QAM 13.50% 64QAM 9% 256QAM 4.50%
1、QAM 調製及EVM 以及EVM 與SNR 的關係
圖1、EVM定義
QAM 調製信號通常用其EVM 來衡量信號質量，EVM是英文Error Vector Magnitude縮寫，意為誤差向量幅度，其定義為誤差矢量Error Vector 的幅度與參考信號Reference Signal 幅度的比值，有時候用百分比比表示，有時候用dB 表示。通常測量的EVM為其RMS 值，計算公式如下：
EVM 可以與信噪比SNR 相互換算，在星座圖中，EVM 是以電壓表示的，因而二者之間的換算公式如下，當然如果有編碼增益，要在該公式中考慮編碼增益，例如擴頻增益。
2、不同階QAM 信號對EVM 的要求
不同階QAM 對信號的抗幹擾能力是不一樣的，數字調製信號調製方式越複雜，頻率帶寬利用率越高，調製方式越複雜，抗幹擾能力越差，功率利用率低，也就是說接收時需要較高的C/N比，才能達到相同傳輸質量，選擇調製方式需要根據通信系統在這兩個方面折衷256QAM 的符號點間距離比BPSK 調製近的多，這意味256QAM 和BPSK 相比容易被幹擾而造成誤碼。
圖2、不同調製方式抗幹擾能力
從EVM 的含義看，結合幾種調製方式的星座圖拿來看，如果要保證通信正常，也就是星座點不發生誤判，則要求每個星座點的誤差矢量幅度最大為0.5a（其中a 為相鄰星座點之間的間距），即|E|max<0.5a，因而每個星座點需要落在以參考信號為中心，半徑為0.5a 的圓內。由於不同星座點的參考信號幅度是不一樣的，離原點最遠的那個星座點對應的參考信號幅度最大，記為|R|max，則其可容忍的EVM 最小，即EVM_thre=0.5a/|R|max，只要所有星座點的EVM小於EVM_thre，就不會發生誤判，即總的EVM 小於EVM_thre。下圖中的A=0.5a，表示相鄰星座點間距的一半。
圖3、64QAM EVM_thre 示意圖
比如64QAM，星座圖可以看作是間距為a 的8x8 陣列，那麼距離原點最遠的那個星座點坐標就是（3.5a,3.5a），矢量長度為1.414x3.5a，為了不發生誤判，允許的矢量誤差要小於半個星座間距（0.5a），這時的EVM<0.5a/(1.414x3.5a)=10.10%，為了保證接收機正常解調，留有一定的餘量，5G NR 協議TS38.141 將64QAM 的EVM 限值設定在9%，是合理的。
當然這種估算方法保證了所有星座點的都不會發生誤判，由於距離原點近一點的星座點參考信號幅度會小些，其EVM 會大些也不會發生誤判，假設所有星座點同時達到最大誤差矢量|E|max=0.5a，同時所有星座點等概率出現，此時系統的EVM 達到容忍上限，EVM 再大就會誤判。此時系統的EVM RMS 值成為EVMRMS_thre，只要EVM 小於改值EVMRMS_thre，則系統一定不會發生誤判。
圖4、計算不同QAM 調製方式下對系統EVM 和SNR 要求門限
通過圖4 Matlab 代碼就可以計算出EVMRMS_thre 和EVM_thre，並計算出了其對系統SNR 的要求值。不同調製方式下對系統要求的EVM 和SNR 門限如表2 所示。從表中可看出，調製階數越高，對系統的EVM 和SNR 要求就越高。
表2、不同QAM 調製方式對系統EVM 和SNR 要求
以目前已經使用的最高調製階數4096QAM 為例，其對系統的EVM 的RMS值要求小於1.91%，如果以最遠點計算EVM 要求小於1.12%。如果將信號源和頻譜儀直接相連，相當於在沒有衰落的靜態信道條件下，EVM RMS 值最好一般在0.2%左右，所以4096QAM 對EVM 的要求已經接近於硬體的極限水平。
3、實驗驗證
使用信號源產生一個4096QAM 信號，使用頻譜分析儀進行解調。
圖5、生成4096QAM 調製信號
在不額外增加噪聲的條件下，FSW 的解調結果如圖6，其EVM 很好，星座圖清晰可見。
圖6、不加噪聲下FSW 對4096QAM 信號解調結果
根據表1 計算結果，4096QAM 對系統的EVM 要求必須小於1.91%，對應的SNR 為34.36dB。在上述信號基礎上增加-34dB 的AWGN 噪聲，此時加噪聲後信號的解調結果如圖8 所示，星座圖已經接近於模糊和誤判，對應的EVM 測試結果為1.56%，與理論計算1.91%還是比較接近。
圖7、4096QAM 信號增加-34dB 的AWGN 噪聲
圖8、加-34dB 噪聲下FSW 對4096QAM 信號解調結果
4、結論
更高階的QAM 調製方式對系統EVM 和SNR 提出了更高的要求，系統的EVM 測試結果算好還是不好，不能只單純看EVM 數值，還要看其調製階數。本文計算了不同調製階數下星座點不發生誤判時對系統的EVM 和SNR 要求，具體結果參考表2，該結論可以理解調製階數與EVM的關係以及對系統SNR的要求，可以用來指導系統設計和器件選型。
原文標題：5G NR調製階數與EVM關係以及對系統SNR要求分析
文章出處：【微信公眾號：微波射頻網】歡迎添加關注！文章轉載請註明出處。
責任編輯：haq
打開APP閱讀更多精彩內容聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴