射频放大器FEM输出功率中的DEVM

FEM，Front-end Modules，即射频前端模块。在硬件电路中，前端模块主要完成射频信号的发送放大和接受放大，以及起到功率检测、控制和开关的功能。FEM集成了功率放大器PA、低噪声放大器LNA和开关SW，其中最重要的便是射频功率放大器（RF PA，radiofrequency power amplifier）。在发射机的前级电路中，射频信号通过功率放大器进行放大，得到足够的射频功率，再提供给天线进行辐射。

输出功率和效率是衡量射频放大器功能中相当重要的指标。输出功率的提高，辅以高增益和低电流带来的效率提升，是评价射频放大器性能的金标准。

在输出功率的测量数据中，我们经常能看到如以下指标：

802.11ax output power: +18.5 dBm, -43 dB DEVM, MCS11

在这项指标中，802.11ax即为我们日常所说的Wi-Fi 6，Wi-Fi 6 协议升级引入的1024 QAM调制方式，提供了更高阶的编码组合MCS10和MCS11。-43 dB DEVM则规定了802.11ax的发射信号质量为动态误差在-43 dB。这个数值越小，表示信号质量越高，在此质量下，想要提高输出功率的难度也越大。在高信号质量下追求高输出功率，是射频IC工程师的设计目标之一。

可以看到，DEVM的指标定义了信号质量的优劣。DEVM意为Dynamic EVM,也就是动态EVM，那么何为EVM和动态EVM？这两个指标对于通信系统中信号质量的解读有着什么意义呢？

首先，EVM是误差向量幅度(Error Vector Magnitude)，用于量化理想信号与实际发射信号之间的差异，是量化矢量信号质量的主要指标。

以上图发射链路为例，矢量信号由数字基带调制进入DAC（数模转换器）后，再进入上变频器和功放放大即可完成发射过程。但在实际电路中，由于发射电路本身的不理想特性，例如功放的非线性特性和上变频的杂散，矢量信号会在发射过程中发生畸变，原有的矢量会偏离理想位置。

图中红色实心点为测量矢量信号，蓝色空心圆为理想矢量信号，EVM描述二者之间的矢量差。

当计算误差向量时，考虑信号的幅度、相位和频率等多个维度，能得到一个多维度的误差向量，而这个误差向量的模长就是EVM值。在测量领域，EVM通常以统计均方根的方式计算，描述的是单位时间内调制信号的总体误差矢量的大小，而不是某个瞬时时刻的结果，并以样本整体的误差评价通信信号。

EVM & DEVM

而DEVM则一种新的测量方法，全称Dynamic EVM，动态EVM，常用在无线通信技术领域尤其是Wi-Fi中，其主要作用便是衡量系统信号质量。前面我们说到EVM是以样本整体的误差评价通信信号，但由于Wi-Fi其自身链路特性，不适宜用整体的误差来进行衡量。

主要原因就是因为Wi-Fi系统为一个TDD（时分双工，Time Division Duplexing）系统，收发共用一个射频频点，上、下行链路使用不同的时隙来进行通信。此外，为了降低整个系统的功耗，Wi-Fi的PA在不工作时（如接收时）或者在传输过程中数据包之间时可以关机或禁用以节省功耗。因此，评价Wi-Fi的信号质量需要测量每个瞬时时刻的误差，而非直接评价一个时间段的样本整体。

时分双工（TDD）区分于频分双工（FDD）

在此需求下，动态EVM（DEVM）的测量便应运而生。DEVM的测量要在所有波形采样点时刻， Dynamic即描述了这种连续性和动态性。DEVM的测试就是模拟实际在工作的时因为PA的上下电动作会引起瞬态和热响应，导致信道估计不完美，从而降低发射机的性能，导致DEVM比EVM一般会有一定恶化。

 

比较项目	传统EVM	动态EVM
数学定义	通过比较解调信号与测量信号的计算	通过比较输入激励信号和输出响应信号来计算
适用的待测件	单端测量，例如发射机	两端口通过式器件的测量，例如功率放大器、发射链路
衡量的指标	衡量发射机的整体质量指标	衡量单个或多个器件对发射链路EVM的恶化程度
参考的信号	参考信号是输入信号解调后的数据	参考信号为激励信号(待测件实际输入)
测量的时刻点	仅在符号判决点时刻测量	在所有波形采样点时刻测量
是否滤波	会经过基带滤波器	没有基带滤波

 

在Wi-Fi通信系统中，由于频段的拥挤、数据量的提升，信号质量是不可忽视的控制因素。较小的DEVM值意味着调制信号更接近理想信号，无线通信质量更高；而较大的DEVM值则表明存在较大的误差，可能导致无线通信质量下降。例如目前常见的5GHz Wi-Fi 6 FEM，在-43 dB的高精度要求下，输出功率普遍在18-20 dBm之间，要能提高0.5 dBm都能使工程师为之欣喜。

功率放大器是一种追求性能精益求精的射频器件，仅对输出功率这项指标，在Wi-Fi 6 协议规定的调制、编码方式下，用极低的DEVM做限制，追求高质量的功率放大性能。随着Wi-Fi 6（802.11ax）及马上到了的Wi-Fi 7（802.11be）终端的大量应用，DEVM还会越来越多出现在大家的视野中。

本文部分内容援引自微波射频网5G技术专栏，原创工程师Altair Tang。

审核编辑：黄飞