数字调制EVM定义不一致性问题及解决方案

导 读

从2G到5G移动通信，及其数字广播电视，数字调制都是关键基础技术。中国信息通信研究院泰尔系统实验室和中国计量科学研究院的联合研究指出：使用不同矢量信号分析仪测量具有一定失真的16QAM和64QAM数字调制信号的EVM值，同时通过数值仿真和解析计算得到相应的EVM理论值，对比这些结果，发现不同仪表中EVM的定义是不同的，其原因是数字广播电视技术标准和无线通信技术标准中EVM定义的不同，这种不同会导致测量误差和认知混乱。研究小组提出使用星座图的幅度峰均比作为修正系数的解决方案。同时，该研究小组建议采用统一的数字调制EVM定义，这是数字时代量值统一的内在要求。相关论文《Analysis on the Definition Consistency Problem of EVM Measurement and Its Solution》 发表在近期的IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.论文作者是中国信息通信研究院泰尔系统实验室的周峰博士、纪锐博士、孙景禄先生和中国计量科学研究院的周鑫博士。

论文链接（可点击“阅读原文 ”访问）：

https://ieeexplore.ieee.org/document/8681612，

DOI: 10.1109/TIM.2019.2901561

研究背景

Error Vector Magnitude(EVM)是表征数字调制信号质量的重要参数，在数字无线通信、数字广播电视、数字光通信测试等领域有重要应用。在研究中，科研人员发现EVM的测量误差不仅仅和频率响应等硬件因素有关，而且和EVM本身的数学定义有关。

发现问题

在测量实验中，作者使用功率放大器的非线性来产生较大的64QAM数字调制信号的失真，显然随着PA的输入功率增加，则相应的数字调制误差也在增加。作者测量得到PA的AM-AM和AM-PM曲线，基于非线性仿真模型，得到了EVM的仿真值，在EVM仿真中依据无线通信技术标准的EVM定义：

式（1）中的S(n)和R(n)分别表示被测矢量序列和参考矢量序列，然后使用功分器将信号分别接入矢量信号分析仪A和矢量信号分析仪B，测量其EVM。则EVM的仿真值和两组测量值如图1所示。在本文的测量中，均测量EVM的RMS值，可以记做EvmRms。

图1 功放产生的非线性失真信号的EVM仿真和不同矢量信号分析仪的EVM测量值

这个现象不是PA引入的非线性误差所特有的。在进一步的实验中，我们设置信号发生器的I/Q增益不平衡度相位不平衡度，然后使用矢量信号分析仪B测量数字调制信号的误差。另一方面，我们可以根据解析公式计算相应的EvmRms.

以下列出4组实验测量结果和相应的计算结果。

图2 数字调制IQ Gain imbalance导致的16QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图3 数字调制IQ Phase imbalance导致的16QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图4 数字调制IQ Gain imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

图5 数字调制IQ Phase imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和测量值

从图2-图5的解析值和测量值曲线来看，可知计算值和测量值存在明显差异，且比值趋近于一个常数。之前针对QPSK信号的测量中，计算值和测量值是一致的。这说明这种不一致现象主要存在于16QAM、64QAM等高阶数字调制信号的测量中。进一步的研究发现，其原因是矢量信号分析仪A中的EVM定义是依据无线通信技术标准的（如3GPP TS 36.101 version 13.2.1 Release 13）。，矢量信号分析仪B中的EVM定义是依据广播电视技术标准的（如ETSI TR 101 290 V1.2.1.Digital Video Broadcasting (DVB);Measurement guidelines for DVB systems）。

显然，(1)式和(3)式定义不同，这是测量结果不一致的主要原因。后来研究人员还发现，即使使用相同的矢量信号分析仪硬件，测量软件的版本不同，其EVM的定义也会有所不同，显然，这种定义的不同会导致测量中的混乱。

解决方案

在测量中如果参与EvmRms统计的符号数量足够多且在星座图上等概率分布，则可以认为：

其中km是该调制方式星座图的幅度峰均比，是一个常数。假设某调制方式的星座图定义上有L个点，分别对应的矢量是C(1)、C(2)、C(3)...C(i)...C(L).则有：

计算得到常用的星座图的幅度峰均比如表1所示。

表1 不同数字调制方式的km

基于(4)式可以对EVM测量结果进行修正，就前述矢量信号分析仪B的EVM测量结果，做修正后如下所示。

图6 功放引入的非线性失真信号的EVM仿真和不同矢量信号分析仪的测量值，其中矢量信号分析仪B的测量值经过了修正

图7 数字调制IQ Gain imbalance导致的64QAM信号失真，EvmRms的计算值和修正过的测量值

显然，经过系数修正以后，测量结果的一致性改善了。在一些仪表中，和EVM类似的参量幅度误差Magnitude Error定义也有类似问题，也可以使用这样的方法做修正。

目前，这种乘以一个系数的修正仅仅是一个权宜之计，在涉及到OFDM信号的EVM测量中，由于不同的子载波上有可能采用不同的调制方式，所以这种方法未必是适用的。考虑到量值的统一性，同时考虑到无线广播电视技术和无线通信技术正在融合发展的事实，论文作者建议在国际范围内不同技术领域采用统一的EVM定义，相对而言(1)式的定义中分子和分母都是均方根值，数学上更自洽一些，如果采用（3）式的定义，调制阶数越高，其EvmRms越小，在逻辑上值得商榷。在国际范围内统一量值定义是根本的解决方案。

参考文献

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[15] ETSI TR 101 290 V1.2.1.Digital Video Broadcasting (DVB);Measurement guidelines for DVB systems.2001/05

校 审 | 陈 力、 珊 珊

编 辑 | 凌 霄

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青岛大剧院

青岛大剧院舞台为镜框式台口“品”字形舞台,建筑台口宽18m,高12m,舞台宽70m,进深50m,舞台面至格栅30m,乐池面积约120㎡;主舞台设有6块双层升库台,后舞台设有1块直径16m的车载转台,主舞台区域拥有电动用杆54道,灯光杆4道,电动吊杆载荷5KN,灯光吊杆载荷7.5KN:舞台还配有1套可拆装的反声置。

歌剧厅的光信号采用了网络光纤传输的数字系统。光纤传输到每个子机站通过机站主机转换成网络信号分配到每个信号输出点。灯光控台是斯全德Strand light Palette Live。调光回路为: Strand 5kw调光回路960路、 Strand5kw直放回路384路。

北京中山公园音乐堂

北京中山公园音乐堂始建于1942年,1999年翻建后重开业,占地面积3720平方米,建筑总面积达11800年方米。音乐堂舞台宽23米,深14米。观众厅分两层,共有1418个座位；一层座位832个,其中包含5个包厢共41个席位；二层586个座位。

此外音乐堂拥有一个可容纳150人的电影厅、200人的会戏厅、及60人的贵宾厅。音乐堂采用主调光台120PRO、英国 MIDAS V20主调音台,及法国L-AcoustiCs ars主扬声器系统。

重庆大剧院

重庆大剧院观众厅共设有2764个座位，大剧场共有观众座位1826个，中剧场共有观众座位938个，设有中、高档化妆间72间，并拥有一个高雅的贵宾厅。重庆大剧院分为大、中两个剧场，舞台为镜框式台口“品”字形舞台，大剧场建筑台口宽18m，高2m，主舞台宽32m，进深18m，栅顶高度37m，乐池面积约684㎡；大剧场主舞台设有6块双层升降台，后舞台设有1块直径17m的车载转台，主舞台区域拥有电动吊杆各61道，灯光用杆4道，电动吊杆载荷7.5KN，灯光吊杆载荷两侧4.25KN，中间8KN。

中剧场建筑台口宽158m，高85m，主舞台宽15m，进深15m，栅高度32m，乐池面积约44.8㎡。主舞台设有5块单层升降台，后舞台设有1块直径14m的车载转台，主舞台区域拥有电动吊杆各56道，灯光用杆3道，电动杆载荷5KN，灯光吊杆载荷两侧6KN；中间8KN。两剧场各配有1套可拆装的反声罩。

重庆大剧院先进完备的舞台灯光和音视频系统能满足各种不同演出使用功要求，主调光台采用德国 Grand MA FULL SIZE4096、Grand，MA LIGHT4096，主/备数字调音台分别采用德国LAWO MC2-5648/美国 Digidesign Venue Profile，主扬声器系统采用法国L- Acoustics系列产品。

常州大剧院

剧院舞台为镱框式台口“品”字形舞台,建筑台口宽18m,高10m,主舞台宽18m，进深18m，栅顶高度27m，乐池面积约110㎡。

主舞台设有4块双层升降台，后舞台设有1块直径9m的车载转台，主舞台区域拥有电动吊杆56道灯光用杆4道，电动吊杆载荷7.5KN，灯光吊杆载荷10KN；舞台还配有1套可拆装的反声置先进完备的舞台灯光和音视频系统，能满足各种不同演出使用功能要求,主/调光台采用英国AVOLITES Tiger Touch.和 PEARL2010，主调音台分别采用美国 VENUE D-SHOW和英国ALLEN& HEATH ML5000，主扬声器系统采用美国MEYER SOUND系列产品。

温州大剧院

温州大剧院主体设施有1425座(含锁定)的豪华歌剧厅,664座(含锁定)的典雅音乐厅以及150座的多功能小剧场。大剧院配有工艺设计流畅合理的机械自动化舞台,在舞台平面同层布置了与演出密切相关的道具室、化妆室、候演室等。此外,芭蕾舞排练厅,高档贵宾厅，歌厅是温州大剧院的主体核心演出场所,“马蹄形"的建筑格局占据了整个建筑群的中心位置,舞台口宽16米高11米舞台内总宽度为64米,深度达41米(主舞台深23米宽26米=596平方米)、（后台、两侧副台分别为18*18米=324平方米）,舞台总面积达1570平方米。

舞台设有流动调音点，能提供60路信号接囗28路返送音箱接口；乐池马道、栅顶面光桥都设有相应数量的信号和喇叭接口。舞台机械设备及升降功能定性、可操作性于一身。舞台机械设备有60道电动吊杆、9道单点吊机。4个光渡桥、2道侧吊杆及天幕用杆组成1道马蹄形幕吊杆、8个灯光用笼及一套专门为演出大型交响乐音乐会而配备的可拆装式的声反射罩。声反射罩的使用，让歌剧厅成为声线和谐流畅的音乐厅既有足够的的空间、场地承演世界著名经典剧目,同时又具备承接大型音乐会的能力。歌剧厅配备的等机械设备均为德国SBS制造。灯光系统选用美国ETC顶级产品，舞台灯光总负荷量1200KW，灯光总回路数1286路，可根据演出要求的打出不同的灯光效果。音响系统采用一整套美国音控设备，拥有世界一流的艺术扩音音箱，该系统实现了数字调音台、音频处理器和数字功放的集中管理。

长沙音乐厅

长沙音乐厅设有大、中、小三个观,共2132个座位，设有中、高档化妆16间，并拥有一个高雅的贵厅及贵宾包厢休息室长沙音乐厅主舞台呈梯形，台口宽24m，最窄处宽1lm，进深13.5m，高度18m，主舞台设有电动灯光用杆3道，载荷3KN；舞台还配有14块透明有机玻璃反声罩。

先进完备的舞台灯光和音频系统，能满足各种不同演出使用功能要求，主/备调光台采用 TC ION1024。主数字调音台采用哈曼SoundcraftVi3000，备模拟调音台采用英国 Soundcraft GB8 32CH，主扬声器系统采用美国JBL VS系列产品。

珠海大剧院

珠海大剧院歌剧厅舞台为镜框式台口“品”字形舞台，建台口宽18m，高12m，主舞台宽30m，进深18m，栅项高度32m，乐池面积约80㎡；主舞台设有6块双层升降台，后舞台设有1块直径12m和1块直径17m的车载转台，主舞台区域拥有电动吊杆50道，灯光杆6道，电动吊杆载荷75KN，灯光用杆载荷15KN；舞台还配有1套可拆装的反声罩。

先进完备的舞台灯光和音视频系统，能满足各种不同演出使用功能要求，主/调光台采用美国ETC GIO Console4096-outputs，主/备数字调音台采用德国lawo MC2 56，主扬声器系统采用德国d&b audiotechnik系列产品。

珠海大剧院音乐厅为多功能场，舞台为7块可升降舞台，面积约为130㎡，拥有电动杆10道，吊杆载荷5KN，可满足各种形式演出。主调光台采用美国 ETC GIO Console4096-outputs，主数字调音台采用德国lawo Mc236，主扬声器系统采用德国d&b audiotechnik系列产品。

重庆国泰艺术中心

重庆国泰艺术中心云瑚音乐厅设在中心负二层，四周装饰米黄色的竖条墙壁，观众席被竖条墙壁分为几个区域，互不干扰。这个可以容纳275人的音乐厅，设计初期，就充分考虑了声学原理，人声能够通过这个六边形的房屋墙壁和各种专用材料传递，清晰明亮也不失真，是目前西南地区最专业的音乐厅。

重庆国泰艺术中心云卫剧场在中心B2层，紧邻云瑚音乐厅，是2016年由重庆演艺集团策划并修建的多功能开放式演出场地，观众席设置16排，每排22座，共330座。

剧院采用点声源LCR扩声方式，观众区域主系统采用6只美国EAW KF850阵列扬声器分为三组悬挂在台口上方的声桥上，舞台口的音响室安装了两只EAW KF695，超低音系统采用4只EAW SB850。为了保证不同节目的需求，另外在观众区安装了10只EAW UB22及12只EAW UB12Se作为环绕系统。乐池内为满足移动扩声，安装了4只EAW UB82，舞台上固定扩声系统安装了4只EAW MK5394，两组整列分别悬挂在舞台机械侧片上，另外安装了4只EAW SM159zi用于移动返听。

整个音响系统全部采用了意大利Powersoft数字功放推动，包括2台Powersoft K3、4台Powersoft K2、4台Powersoft M50Q、7台Powersoft M28Q、2台Powersoft M30D、1台Powersoft M20D、2台Powersoft M14D。此外，安装了1台ALLEN&HEATH iLive-176数字调音台作为主调音台，1台ALLEN&HEATH GL3800-848模拟调音台作为备份调音台。重放系统则选用了DENON品牌的产品。

为了满足多种多样的表演形式，音乐厅也安装了一套音响系统。主系统由6只悬挂式EAW AX366组成一个立体声系统均匀覆盖观众区，并通过3台Powersoft K3推动；另1台Powersoft K3推动2只EAW SB180超低音系统，舞台返听系统采用4只SM129移动安装并由1台Powersoft M50Q推动；调音系统采用1台ALLEN&HEATH iLive-T112数字调音台。

施光南大剧院

施光南大剧院观众厅共设有1244个座位，设有中、高档化妆10间，并拥有一个高雅的贵宾厅及贵宾包厢休息室。

施光南大剧院舞台为镜框式舞台，建筑台口宽20-16m可调，高10m，主舞台宽16m，进深23m，栅顶高度22m，乐池面积约65㎡，主舞台设有3块双层升降台，3块单向侧车台，主舞台区域拥有电动吊杆各40道，光吊杆6道，侧灯光架4道，电动吊杆载荷7KN，灯光吊杆载荷10KN；舞台还配有1套可拆装的反声置，反声罩宽18m、深度75m、前端高度10m。

先进完备的舞台灯光和音视频系统,能满足各种不同演出使用功能要求，主调光台采用德国Grand ma2，主/数字调音台采用英国 DIGICO SD8，主扬声器系统采用法国LA AR系列产品。

编后语

有人说，要想知道一座城市的文明和灵魂，看看它的剧院就知道了，音响灯光人说，要想知道一座剧院好不好，看看它的设计和设备就知道了。 但目前国内剧场剧院发展的现状是现在不乏豪华气派的外观、不缺顶级的设备和宽敞的剧场，甚至有一些剧院，单就硬件而言，已经堪比国际一流大剧院。但是，与华丽的“硬件”相比，剧院在演出剧目、演出场次、观众人数等“软件”上，却远远没有那么漂亮。多形式少内容、有空间少利用、高配置低效能，国内剧院建设还处于粗放阶段。一些城市的剧院使用率不足50%，部分剧场甚至出现“空巢”现象。

剧院之“大”，不仅在于光鲜亮丽的外表，而更在于丰富多彩的内容。 要让各个剧院都去制作剧目，各地剧院，需要在剧目引进、舞台呈现上精心设计，根据剧目情况和当地实际，策划剧目、推出演出季，不断探索剧目题材的丰富性和风格的多元化，才能将一个剧场运营得风生水起。

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