EVM(Error Vector Magnitude) 의미 및 스펙

EVM은 Error Vector Magnitude 약어로 Digital Modulation의 품질을 평가하는 대표적인 지표 중 하나입니다.

자, 그럼 EVM에 대해 간략히 알아보겠습니다.

 

1. Modulation Constellation

 EVM에 대해 이야기하기 전에 Modulation Constellation에 대해 이야기해보겠습니다.

각 Modulation은 아래 [그림1]처럼 Constellation Diagram이 있습니다.

여기서 Condstellation은 사전적 의미로 "별자리"입니다.

각 Modulation은 마치 밤하늘의 오리온자리, 처녀자리처럼 I/Q plot상에

할당된 복소 신호의 위치가 있다는 뜻입니다.

[그림1] Modulation Constellation
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2. EVM이란?

 어떤 Device가 16QAM Modulation으로 신호를 송신한다고 생각해 봅시다.

송신되는 신호가 [그림1]의 16QAM constellation diagram처럼 이상적으로 전송되면 좋겠지만,

실제로 반복하여 측정하면 [그림2]처럼 constellation 각각 symbol에다가 스프레이를 뿌린 것처럼 측정됩니다.

[그림2] Constellation상 실제 Measured Signal

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이는 아래와 같은 수많은 이유로 EVM이 ideal하지 못합니다.

1. MIXER에서 발생하는 LO leakage 2. Local Oscillator에서 발생하는 IQ imbalance 3. IQ Calibration의 Accuracy 정도 4. 송신을 위해 필요한 수만은 IC들이 가지고 있는 편차 5. 이 IC를 연결하는 Transmission Line의 한계 6. Device 내부의 의도치 않은 노이즈들

실제로 측정된 signal이 ideal constellation 대비 얼마나 차이 나는지를 수차화 한 것이 바로 EVM입니다.

 

3. EVM_RMS 계산법

 EVM_RMS은 아래 식처럼 기준 신호 크기 대비 오차의 크기입니다.

 

자, 예를 들어 [그림3]와 같이 Symbol 한 개 일 때의 EVM을 계산해 봅시다.

[그림3] Reference 대비 Measured Signal
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Reference 크기는 1이며 Magnitude는 0.523입니다. EVM_RMS는 0.523이 됩니다.

 

4. EVM이 가지는 의미

- Measured symbol이 ideal symbol에 가까워질수록 Magnitude가 줄어드니 EVM은 낮아지게 됩니다.

  즉, EVM이 낮을수록 Signal Quality가 좋다는 뜻입니다.

 

- 반대로 EVM이 높다면 어떻게 될까요? EVM이 높다는 뜻은 Measured symbol이 ideal symbol에 멀어진다는 뜻이죠.

  예를 들어 16QAM에서 1100에 매핑하여 송부된 신호가 실제 측정 시

  [그림4]처럼 1100, 1000, 1101, 1001 정 가운데 찍혔다고 해봅시다.

  수신기에선 해당 symbol을 1100, 1000, 1101, 1001 중에 어떤 symbol로도 판단하기 힘듭니다.

  수신기는 더 이상 송신된 데이터를 신뢰할 수 없게 되죠. 그럼 이제 수신기는 송신기에게 요청합니다.

  네가 16QAM으로 송부한 데이터는 EVM이 너무 높아 데이터를 신뢰하기 힘드니 Modulation을 QPSK로 낮춰라고,

  결국 송신기는 Modulation을 낮춰 QPSK로 송부하고 Data rate는 16QAM 대비 반토막 납니다.

  즉, EVM이 높으면 Modulation을 낮춰야 하고 따라서 Throughput(데이터 전송량)이 줄어들게 되는 것입니다.  

[그림4] Measured signal이 어떤 symbol에 매핑하기 모호한 경우
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5. EVM 표현 방식 (RMS, %, dB)

- RMS, %, dB와 같은 단위로 표현 가능하며, 이는 단지 표현 단위의 차이일 뿐이지 그 의미는 동일합니다.

 

- 예를 들어 EVM_%가 10%인 경우 EVM_dB는 20log(10/100)로 계산되어 -20dB입니다.

 

6. 규격

- 앞서 말씀드린 것처럼 EVM은 Modulation을 평가하는 아주 대표적인 지표입니다.

  따라서 IEEE 802.11(대부분 그냥 WIFI라고 부르죠)과 3gpp 이동통신 3G,LTE,5G 모두 EVM 관련된 규격이 있습니다.

  또한 IEEE 802.11과 3gpp 규격을 베이스로 만들어진 국가 승인 또는 사업자 시험 항목에도 EVM은 빠지지 않습니다.

 

- 802.11의 프로토콜 중 가장 최신 규격인 802.11ax에 기재된 EVM 스펙을 한번 보시죠.

  802.11의 경우 EVM 단위를 dB로 표현해 놨습니다.

  Modulation과 Coding rate가 높아질수록 요구되는 EVM 스펙은 타이트해지는데요,

  1024QAM의 경우 EVM_dB가 -35dB 보다 낮아야 합니다.

  EVM_% 단위로는 1.778%보다 낮아야 하는 아주 터프한 스펙이죠.

  Modulation이 올라갈수록 Constellation의 symbol들 간 간격이 좁아지게 되므로

  더 타이트한 EVM 스펙이 요구되는 것입니다.

[그림 5] 802.11ax의 EVM 스펙

출처 : IEEE 802.11ax-2021.pdf

 

- 이번엔 5G에 기재된 EVM 스펙을 보겠습니다.

  802.11과 마찬가지로 Modulation이 올라갈수록 더 낮은 EVM값을 요구합니다.

  5G의 256QAM의 경우 EVM_% 스펙이 3.5%입니다. EVM_dB로는 -29.12dB 입니다.

  802.11ax의 256QAM 스펙인 -30dB와 거의 비슷하죠.

  64QAM, 16QAM, QPSK 또한 802.11 스펙과 3gpp 스펙이 거의 비슷합니다.

[그림 6] 5G EVM 스펙

출처 : 3gpp ETSI 38 521-1 v17.10.0

 

7. 결론

- EVM(Error Vector Magnitude)는 신호 품질을 평가하는 대표적인 지표 중 하나입니다.

- Reference Signal 크기 대비 Mganitude(Measured Signal과 Reference Signal의 차이)가 EVM입니다.

- EVM은 낮을수록 좋은 신호이며, EVM이 높아지면 Device는 Modulation을 낮춰야하고

  Throughput은 줄어들게 됩니다.

- IEEE 802.11과 3gpp 3G,LTE,5G 모두 EVM 관련 규격이 있습니다.