CN109067677B - 一种基于高斯白噪声的可调evm矢量信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高斯白噪声的EVM可调矢量信号产生方法，方法包括以下步骤：一是高斯白噪声环境下EVM与SNR的理论关系构建；二是EVM可调矢量信号产生方法。该方法基于高斯白噪声环境下SNR与EVM的数学解析关系，利用高斯白噪声与矢量信号合成，通过控制SNR产生所需EVM值的矢量信号。该方法产生的信号在星座图上会以理想星座点为中心呈高斯分布，贴近实际信号，满足矢量信号分析仪期间核查的全面覆盖的要求，同时可作为矢量信号分析校准装置使用。

Description

一种基于高斯白噪声的可调EVM矢量信号产生方法

技术领域

本发明涉及一种基于高斯白噪声的可调EVM矢量信号产生方法。属于仪器仪表领域。

背景技术

作为数字信号发生器校准装置的主标准器为矢量信号分析仪，在对数字信号发生器进行校准时，测量的数字信号的误差矢量幅度(EVM，Error Vector Magnitude)均是仪器的剩余EVM，数值较小，通常小于1％，但在外场，如通信卫星地面站测试等应用场合，信号通过空间传输，数字调制信号的EVM值很大，甚至会超过10％。为了实现对矢量信号分析仪进行量值传递和在校其准周期内进行期间核查以确保其可靠性，必须使用EVM可调矢量信号，目前无商业仪器能提供此功能。

已见报道的产生EVM可调的矢量信号的方法有二种：一是基于连续波或者调幅调相波进行模拟的方法，该方法需要对矢量信号分析仪进行特殊的设定后才能解调矢量调制误差，产生的并非真实信号，且仅适用于MPSK(multiple phase shift keying)；二是基于预设基带星座图的方式实现可调EVM信号的输出，通过设计矢量信号发生器的基带星座图使得其星座图与矢量信号分析的星座图产生差异，从而产生EVM可控的矢量信号，该方法虽能稳定输出EVM可调的矢量信号，但并非自然信号，产生的信号会在星座图上偏离理想星座点固定距离并集中于一点，仅能验证矢量信号分析仪在某个点上的测量能力，不满足矢量信号分析仪期间核查的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于高斯白噪声环境下SNR(signal noise ratio)与EVM的理论关系，利用高斯白噪声和矢量信号合成产生EVM可调的矢量信号，产生的信号在星座图上以理想星座点为中心成高斯分布，可有效解决矢量信号分析仪的期间核查问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于高斯白噪声的EVM可调矢量信号产生方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、高斯白噪声环境下EVM与SNR的理论关系构建

在加性高斯白噪声环境下，SNR的直接测量值可以表示为：

式中：

SNR----信号的信噪比；

I_t----信号的同相分量，单位mW；

Q_t----信号的正交分量，单位mW；

n_I，t----噪声的同相分量，单位mW；

n_Q,t----噪声的同相分量，单位mW；

T----统计符号的个数；

在星座图上，EVM_RMS表示为：

式中：

EVM_RMS----矢量误差幅度的有效值；

T----统计符号的个数；

P₀----理想星座的归一化功率；

n_I,t----第t个符号时，噪声的归一化同相分量；

n_Q,t----第t个符号时，噪声的归一化正交分量；

在高斯白噪声环境下，当统计的点数足够多时，P₀近似为：

式中参量的定义与公式(1)中定义相同，即当T>>N时：

SNR_dB≈-20logEVM_RMS (5)

式中：

SNR_dB----信号噪声功率比，单位为dB；

EVM_RMS----矢量误差幅度有效值；

步骤二、EVM可调矢量信号产生方法

系统由数字信号发生器、噪声信号发生器、合路器、射频线缆构成以及频谱仪构成，数字信号发生器产生的数字调制信号与噪声发生器产生的噪声经合路器合成后输出：

1)设置矢量信号发生器输出数字调制信号，输出功率为P₁；

2)打开信号频谱分析仪的矢量信号分析功能，设置测量参数与的数字调制信号一致，使得信号正常解调信号(T>>N)，切换至频谱分析功能，使用频谱仪标定数字调制信号的99％的能量带宽W；

3)关闭矢量信号发生器的输出，打开噪声信号发生器的噪声发生功能并设置输出，中心频率与矢量信号发生器输出一致，利用信号频谱分析仪的频谱仪功能测量W带宽内的通道噪声功率，将要产生的数字调制信号的EVM数值代入公式(5)计算SNR，通带噪声功率设置为P₁-SNR，调节噪声发生器的输出使得频谱仪测量W带宽内的噪声功率为P₁-SNR；

4)同时设置矢量信号发生器和噪声发生器输出，得到所需EVM值的数字调制信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于高斯白噪声的EVM可调矢量信号产生方法，该方法基于高斯白噪声环境下SNR与EVM的数学解析关系，解算待输出矢量信号的EVM对应的SNR，利用高斯白噪声与矢量信号合成，并精确标定合成信号的SNR，从而输出所需EVM值的矢量信号。该方法利用高斯白噪声与矢量信号合成，产生的信号在星座图上会以理想星座点为中心呈高斯分布，贴近实际信号，满足矢量信号分析仪期间核查的全面覆盖的要求，同时可作为矢量信号分析校准装置使用。

附图说明

图1为本发明实施例EVM可调矢量信号发生系统框图；

图2为本发明实施例EVM可调矢量信号发生系统硬件连接图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的一种基于高斯白噪声的EVM可调矢量信号产生方法，方法包括以下步骤：一是高斯白噪声环境下EVM与SNR的理论关系构建；二是EVM可调矢量信号产生方法。

实施过程

步骤一、高斯白噪声环境下EVM与SNR的理论关系构建

在加性高斯白噪声环境下，SNR的直接测量值可以表示为：

式中：

SNR----信号的信噪比。

I_t----信号的同相分量，单位mW。

Q_t----信号的正交分量，单位mW。

n_I,t----噪声的同相分量，单位mW。

n_Q,t----噪声的同相分量，单位mW。

T----统计符号的个数。

在星座图上，EVM_RMS可以表示为：

式中：

EVM_RMS----矢量误差幅度的有效值。

S_n----测量数据流中第n个归一化符号。

S_rn---为对应S_n的归一化理想星座点。

N----为星座图上的星座点数。

公式(2)中参数不能用未归一化的数值来替代，因为测量星座和理想星座中的归一化系数并不相同，理想符号的归一化系数可用公式(3)表示。

式中：

A----归一化系数，单位V。

T----统计符号的个数。

P_v----T个符号的总能量，单位mW。

当T>>N时

P_v---T个符号的总能量，单位mW。

V_I,t----第t个符号的同相分量的电压值，单位V。

V_Q,t----第t个符号的正交分量的电压值，单位V。

T----统计符号的个数。

理想星座的归一化系数只与星座图中N个不同星座点有关，所以其归一化系数可只对N不同星座点做统计，理想星座的归一化系数可表示为：

式中：

A_r----归一化系数，单位V。

N----理想星座图中，星座点的个数。

P'_v,----理想星座图中，所有星座点的总功率，单位为mW。

V_Ir,t----理想星座图中，第n个符号的同相分量的电压值，单位V。

V_Qr,t----理想星座图中，第n个符号的正交分量的电压值，单位V。

将公式(3)、(5)代入到公式(2)中化简得到：

式中：

T----统计符号的个数。

N----理想星座图中星座点的个数。

I_t----第t个符号的归一化同相分量。

Q_t----第t个符号的归一化正交分量。

I_r,t----第t个理想符号的归一化同相分量。

Q_r,t----第t个理想符号的归一化正交分量。

在高斯白噪声环境下，公式(6)的分母可理解为归一化的理想星座的归一化功率，分子可理解为由于白噪声的影响致使实际信号与理想信号产生的差异，具体到|I_t-I_r,t|²则表示在t时刻噪声的同相分量引起的差异，同理|Q_t-Q_r,t|²则表示在t时刻噪声的正交分量引起的差异，将I_t-I_r,t用噪声同相分量n_I,t表示，将Q_t-Q_r,t用噪声同相分量n_Q,t表示，理想星座的归一化功率P₀表示，用则可将公式(6)化简得到：

式中：

T----统计符号的个数。

P₀----理想星座的归一化功率。

n_I,t----第t个符号时，噪声的归一化同相分量。

n_Q,t----第t个符号时，噪声的归一化正交分量。

在高斯白噪声环境下，当统计的点数足够多时，P₀可做以下近似：

式中参量的定义与公式(1)中定义相同。即当T>>N时：

SNR_dB≈-20logEVM_RMS (10)

式中：

SNR_dB----信号噪声功率比，单位为dB。

EVM_RMS----矢量误差幅度有效值。

步骤二、EVM可调矢量信号产生方法

任意EVM值数字调制信号产生系统框图如图1所示。系统由数字信号发生器、噪声信号发生器、合路器、射频线缆以及频谱仪构成。数字信号发生器产生的数字调制信号与噪声发生器产生的噪声经合路器合成后输出。

具体步骤操作如下：

(1)设置矢量信号发生器输出数字调制信号，输出功率为P1；

(2)打开信号频谱分析仪的矢量信号分析功能，设置测量参数与的数字调制信号一致(频率、调制方式、符号率、测量滤波器、α系数等)，使得信号正常解调信号(T>>N)，切换至频谱分析功能，使用频谱仪标定数字调制信号的99％的能量带宽W。

(3)关闭矢量信号发生器的输出，打开噪声信号发生器的噪声发生功能并设置输出，中心频率与矢量信号发生器输出一致，利用信号频谱分析仪的频谱仪功能测量W带宽内的通道噪声功率，假设需要产生的数字调制信号的EVM为x1，将x1代入公式(10)计算SNR，通带噪声功率则需要设置为P1-SNR，调节噪声发生器的输出使得频谱仪测量W带宽内的噪声功率为P1-SNR(将VBW调小至测量通道噪声功率时仪器能稳定读数)。

(4)同时设置矢量信号发生器和噪声发生器输出，就可得到所需EVM值的数字调制信号。

实施例：

1、搭建EVM可调矢量信号产生系统，产生BPSK和64QAM两种调制信号，设置输出的EVM_RMS为1％、5％和10％。

EVM可调矢量信号产生系统的硬件连接图如图2所示，系统软硬件条件具体配置如下：

(1)矢量信号发生器SMW200A。

表1 SMW200A参数配置表

(2)噪声发生器N5182B。

利用FSW26测量矢量信号发生器输出的两种调制方式的信号频谱占用带宽(99％能量)。根据需要设置的EVM_RMS值计算所需的SNR,占用带宽的测量值和所需的SNR值如表2所示。

表2 SNR和99％的能量带宽

(3)合路器型号：11667A。

(4)信号频谱分析仪FSW26。

FSW26用于SNR的标定和EVM_RMSS的测量，测量EVM_RMS的参数配置与矢量信号发生器的匹配(T＝15000)。

2、对EVM可调矢量信号产生系统输出的信号进行重复性和稳定性考核。

(1)重复性考核

系统输出指定的EVM_RMS值的数字调制信号后，利用信号频谱分析仪进行测量，每测完一个量值后均断开仪器重新连接，每个值测量十次，并根据测量的结果计算实验标准偏差。测量值和计算结果如表3所示。

表3重复性考核数据及结果

(2)稳定性考核

每隔一个月以上用FSW26对任意EVM值数字调制信号产生系统输出的上述调制方式以及EVM_RMS进行一组n次的重复测量，取n个测量值的算术平均值

作为该组的测量结果，共测量m组。在此取n＝10，m＝6。根据公式(11)计算输出结果的稳定性。稳定性考核数据如表4所示。

式中：

----一组测量值的算术平均值，单位为％。

----m组测量结果的算术平均值，单位为％。

s_m----即为测量标准的稳定性，单位为％。

m----测量的组数。

表4稳定性考核数据及结果

(3)测试结果的分析

系统的设置值与实际输出值之间有一定的差距，该差距固定，可视为系统误差进行调整；系统输出的重复性和稳定性分别不大于0.020和0.006，满足作为数字信号发生器校准装置和矢量信号分析仪的期间核查的需要。

具体步骤操作如下：

(1)设置矢量信号发生器输出数字调制信号，输出功率为P₁；

(2)打开信号频谱分析仪的矢量信号分析功能，设置测量参数与的数字调制信号一致(频率、调制方式、符号率、测量滤波器、α系数等)，使得信号正常解调信号(T>>N)，切换至频谱分析功能，使用频谱仪标定数字调制信号的99％的能量带宽W。

(3)关闭矢量信号发生器的输出，打开噪声信号发生器的噪声发生功能并设置输出，中心频率与矢量信号发生器输出一致，利用信号频谱分析仪的频谱仪功能测量W带宽内的通道噪声功率，假设需要产生的数字调制信号的EVM为x₁，将x₁代入公式(10)计算SNR，通带噪声功率则需要设置为P₁-SNR，调节噪声发生器的输出使得频谱仪测量W带宽内的噪声功率为P₁-SNR(将VBW调小至测量通道噪声功率时仪器能稳定读数)。

(4)同时设置矢量信号发生器和噪声输出，就可得到所需EVM值的数字调制信号。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于高斯白噪声的EVM可调矢量信号产生方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、高斯白噪声环境下EVM与SNR的理论关系构建

在加性高斯白噪声环境下，SNR的直接测量值可以表示为：

式中：

SNR----信号的信噪比；

I_t----信号的同相分量，单位mW；

Q_t----信号的正交分量，单位mW；

n_I,t----噪声的同相分量，单位mW；

n_Q,t----噪声的同相分量，单位mW；

T----统计符号的个数；

在星座图上，EVM_RMS表示为：

式中：

EVM_RMS----矢量误差幅度的有效值；

T----统计符号的个数；

P₀----理想星座的归一化功率；

n_I,t----第t个符号时，噪声的归一化同相分量；

n_Q,t----第t个符号时，噪声的归一化正交分量；

在高斯白噪声环境下，当统计的点数足够多时，P₀近似为：

式中参量的定义与公式(1)中定义相同，即当T>>N时：

SNR_dB≈-20log EVM_RMS (5)

式中：

SNR_dB----信号噪声功率比，单位为dB；

EVM_RMS----矢量误差幅度有效值；

步骤二、EVM可调矢量信号产生方法

系统由数字信号发生器、噪声信号发生器、合路器、射频线缆构成以及频谱仪构成，数字信号发生器产生的数字调制信号与噪声发生器产生的噪声经合路器合成后输出：

1)设置矢量信号发生器输出数字调制信号，输出功率为P₁；

2)打开信号频谱分析仪的矢量信号分析功能，设置测量参数与的数字调制信号一致，使得信号正常解调信号(T>>N)，切换至频谱分析功能，使用频谱仪标定数字调制信号的99％的能量带宽W；

3)关闭矢量信号发生器的输出，打开噪声信号发生器的噪声发生功能并设置输出，中心频率与矢量信号发生器输出一致，利用信号频谱分析仪的频谱仪功能测量W带宽内的通道噪声功率，将要产生的数字调制信号的EVM数值代入公式(5)计算SNR，通带噪声功率设置为P₁-SNR，调节噪声发生器的输出使得频谱仪测量W带宽内的噪声功率为P₁-SNR；

4)同时设置矢量信号发生器和噪声发生器输出，得到所需EVM值的数字调制信号。

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