干货:矢量调制分析基础知识
微波射频网 2022-11-29

前言

本文介绍VSA 的矢量调制分析和数字调制分析测量能力。某些扫频调谐频谱分析仪也能通过使用另外的数字无线专用软件来提供数字调制分析。然而,VSA 通常在调制格式和解调算法配置等方面提供更大的测量灵活性,并提供更多的数据结果和轨迹轨迹显示。本文中描述的基本的数字调制分析概念也同样适用于使用额外数字调制分析软件的扫频调谐分析仪。

VSA 真正的威力在于它测量和分析矢量调制信号和数字调制信号的能力。矢量调制分析是指测量具有实部和虚部分量的复信号。

矢量调制分析提供一个重要的测量工具就是模拟调制分析。例如,Agilent 89600B VSA 软件提供了模拟调制分析,并且可以像调制分析仪一样产生AM、FM 和PM 解调结果,允许你查看幅度、频率和相位随时间变化的曲线图。这些额外的模拟解调能力可以用来对数字通信发射机中的特殊问题进行故障诊断。例如,相位解调经常用于在特殊LO 频率上不稳定性问题的故障分析。

由于数字通信系统使用复信号(I-Q 波形),所以需要使用矢量调制分析功能来测量数字调制信号。但是矢量调制分析还不足以测量今天复杂的数字调制信号。你还需要数字调制分析。数字调制分析用来将射频调制载波信号解调为其复数分量(I-Q 波形),之后你可以应用数字和可视化工具快速识别和定量分析I-Q 波形的缺损。数字调制分析可以检波和恢复数字数据比特。

数字解调还提供了调制质量测量。使用于Agilent VSA 的技术( 在本节后面讨论) 可以显示非常细微的信号变化,并最终将其转化为信号质量信息。而这些是传统的调制质量测量方法无法提供的。各种显示格式和能力用来查看基带信号特性并分析调制质量。VSA 提供传统的显示格式,例如I-Q 矢量图、星座图、眼图和网格图。符号/ 误差汇总表显示了实际恢复的比特和有价值的误差数据,例如误差矢量幅度(EVM)、幅度误差、相位误差、频率误差、rho 和I-Q 偏置误差。其它显示格式,例如幅度/ 相位误差对时间、幅度/ 相位误差对频率或均衡,允许你进行频率响应测量和群时延测量,或查看码域结果。VSA 提供的显示格式和测量能力还有许多,这些仅仅是一部分代表。各种功能的可用性取决于分析能力以及将要测量的数字调制格式类型。

VSA 的数字调制方案提供对多种数字通信标准,例如GSM、EDG、W-CDMA和cdma2000 以及其它数字调制格式,比如LTE、WLAN 和WiMAX,包括MIMO信号的测量支持。这些信号比我们在这里将要考察的简单信号复杂得多。测量可能是连续载波或脉冲载波( 例如TDMA),可以贯穿整个数字通信系统方框图,对基带、IF 和射频位置进行测量。不需要外部滤波、相关载波信号或符号时钟计时信号。Agilent VSA 中的数字解调通用算法还允许你测量非标准格式的信号,针对定制的测试和分析改变用户定义的数字测量参数。

矢量调制和数字调制

我们先回顾一下矢量调制和数字调制。特别注意,虽然调制器和解调器两个术语含有硬件的意思,但是基于软件的VSA ,实际上是基于DSP 的软件在执行调制/ 解调的。数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语,指数字状态由载波相对相位和/ 或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制,但是应记住这种调制并不是数字的,而真正是模拟的。调制是按照调制( 基带) 信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见图1。在数字调制中,基带调制信号是数字式的,而调制过程不是数字的。

图1. 在数字调制中,信息包含在载波的相对相位、频率或幅度中。

基于具体的应用,数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案,例如幅度调制(AM)、频率调制(FM) 或相位调制(PM) 来完成。不过在实际系统中,通常使用矢量调制( 又称为复数调制或I-Q 调制) 作为替代。矢量调制是一种非常强大的调制方案,因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中,基带数字信息被分离成两个独立的分量: I ( 同相) 和Q ( 正交) 分量。这些I 和Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量( 正交)。在下面的讨论中你将进一步了解I 和Q 分量,以及数字系统使用它们的原因。

图2. 数字调制I-Q 图

理解和查看数字调制的简单方法是使用图2 所示的I-Q 或矢量图。在大多数数字通信系统中,载波频率是固定的,因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考,根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。相位和幅度可以作为I-Q 平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见图2。I 代表同相位( 相位参考) 分量,Q 代表正交( 与相位相差90 °)分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算,来表示这个点。这就是I-Q 调制的原理。

将载波放入到I-Q 平面预先确定的某个位置上,然后发射已编码信息。每个位置或状态( 或某些系统中状态间的转换) 代表某一个可在接收机上被解码的比特码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间( 接收机转换信号时) 在I-Q 平面的映射称为星座图。参见图3。一个符号号代表一组数字数据比特; 它们是所代表的数字消息的代号。每个符号号包含的比特数即每符号号比特数(bpsym) 由调制格式决定。例如,二进制相移键控(BPSK) 使用1 bpsym,正交相移键控(QPSK) 使用2 bpsym,而8 相移键控(8PSK) 使用3bpsym。理论上,星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响,会引起这些状态发生扩散( 每个状态周围有分散的点呈现)。图3 显示了16 QAM 格式(16 正交幅度度调制) 的星座图或状态图; 注意,此时有16 个可能的状态位置。该格式使用4 比特数据串,编码为单个幅度度/ 相位状态或符号号。为了产生这一调制格式,基于被传输的代码,I 和Q 载波都需采用4 个不同的幅度度电平。

图3. 星座图中的每个位置或状态代表一个具体的比特码型( 符号号) 和符号号时间

在数字调制中,信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多,给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号号

率越低,传输所需的带宽就越小。例如,前面提到过的16 QAM 格式使用每符号号4 比特的速率。如果无线传输速率为16 Mbps,则符号率= 16 (Mbps) 除以4 比特即4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽(4 MHz 相对16 MHz)。

I-Q 调制

在数字通信中,I-Q 调制将已编码的数字I 和Q 基带信息放入载波中。参见图4。I-Q 调制生成信号的I 和Q 分量; 从根本上讲,它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。

图4. I-Q 调制

I-Q 调制接受I 和Q 基带信号作为输入,并将它们与相同的本地振荡器(LO) 混合。注意,这个可能是数字( 软件) LO。下面,I 和Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度度信息调制载波生成同相分量。Q 幅度度信息调制90°( 直角) 相移的载波生成正交分量。这两种正交调制载波信号相加生成复合I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号,随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。以90° 分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的,它们是同一信号的两个独立分量。虽然Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号,但不会对I 分量造成任何影响。同样地,I 输入的变化也不会影响到Q 信号。

I/Q 解调

如图5 所示,I-Q 解调是图4 所示的I-Q 调制的镜像。I-Q 解调从复合I-Q调制输入信号中恢复原始的I 和Q 基带信号。

图5. I-Q 解调( 或正交检测)

解调过程的第一步是将接收机LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复I 和Q 基带分量必须要把接收机LO 锁相至发射机载波( 或混频器LO)。随后,I-Q调制载波与未相移的LO 和相移90° 的LO 混合,生成原始的I 和Q 基带信号或分量。在VSA 软件中,使用数学方法实现90° 相移。

从根本上讲,I-Q 解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换,信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图2。这种转换与I-Q 解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。

为什么使用I 和Q ?

数字调制使用I 和Q 分量,因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。I-Q 域中的调制信号具有很多优势:

1. I-Q 的实现提供一种生成复信号( 相位和幅度均改变) 的方法幅度。I-Q 调制器不使用非线性,难实现的相位调制,而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到,基于基带和中频软件的LO 也是。为生成复调制信号,只需产生信号的基带I 和Q 分量。I-Q 调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。

2. 信号的解调也同样简单明了。使用I-Q 解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。

3. 在I-Q 平面上观查信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及AM-PM 失真等用其它方法难以呈现的现象在I-Q 平面上可以轻松查看。

数字射频通信系统

图6 是一个通用的使用I-Q 调制的数字射频通信系统的基本架构的的简化方框图,通过对该系统基本概念的了解能更好地理解带有矢量调制分析功能的VSA 的工作情况。通信发射机和计算机的所有部分都可被带有矢量调制分析的VSA 测量并分析。还有,即使是该方框图的软件仿真也可被VSA 分析,因为VSA 只需要利用时间采样数据。

图6. 数字射频通信系统的简化方框图。注意,ADC 和DAC 可能在不同的方框中出现。

数字通信发射机

通信发射机开始于语音编码( 假设进行语音传输),即对模拟信号进行量化并转化为数字数据( 数字化) 的过程。随后,数据压缩用于降低数据速率并提高频谱效率。信道编码和交织属于常见技术,通过最小化噪声与干扰的影响来改进信号完整性。额外的比特经常被用来进行误差校准或者作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使与接收机的同步( 找寻符号时钟) 更简单。符号编码器将串行比特流转换为适当的I 和Q 基带信号,对应具体的系统每个信号映射到I-Q 平面上符号。符号时钟代表各个符号传输的频率和精确计时。当符号时钟跳变时,发射载波在正确的I-Q ( 或幅度/ 相位) 值上代表具体的符号( 星座图的特定点)。各个符号的时间间隔即为符号时钟周期,其倒数是符号时钟频率。当符号时钟与检测符号的最佳瞬时同步时,符号时钟相位是正确的符号。

一旦I 和Q 基带信号生成后,它们会被过滤( 带限) 以提高频谱效率。未经过滤的无线数字调制器的输出会占用非常宽的带宽( 理论上是无限宽)。这是因为调制器被基带I-Q 方波的快速跳变所驱动; 时域上的快速跳变等同于频域上的宽频谱。这种情况不可接受是因为它会减少其他用户的可用频谱并造成对邻近用户的信号干扰,称之为邻信道功率干扰。基带滤波通过限制频谱以及限制对其它信道的干扰解决了这一问题。实际上,滤波减缓了状态之间的快速转换,从而限制了频谱。不过滤波也不是没有缺点; 它会导致信号和数据传输性能的下降。

信号质量的下降是由于频谱分量的减少、过冲以及滤波器时间( 脉冲) 响应引起的有限振铃效应。频谱分量减少了就会使信息丢失,从而可能导致接收机重建信号困难,甚至是不可重建的。滤波器的振铃响应可能持续很久,以致影响到随后的符号,并产生码间串扰(ISI)。ISI 定义为前后符号的多余能量干扰到当前的符号,导致接错误地解码。滤波器的最佳选择就成为频谱效率和ISI 的折衷。在数字通信设计中,有一款常用的特定类型的滤波器称为Nyquist 滤波器。Nyquist 滤波器是一个理想的滤波器选择,因为它能够最使数据速率最大化而且最小化ISI 并限制信道带宽需求。在本节后面的部分,你将会进一步了解这种滤波器。为了改进系统的整体性能,滤波器一般会在发射机和接收机之间共享或分配。在这种情况下,为了最小化ISI,滤波器必须尽可能地匹配发射机和接收机并正确实现。图6 仅显示了一个基带滤波器。但在实际中会用到两个,I 和Q 信道各有一个。

已过滤的I 和Q 基带信号是I-Q 调制器的输入。调制器中的LO 可能工作在中频(IF) 或直接工作在最终的无线射频(RF) 上。调制器的输出是中频( 或射频)上的两个正交I 和Q 信号的合成。调制后,如果需要,信号会上变频到射频。再将任何多余的频率过滤掉,最后信号送入到输出放大器并传输。

数字通信接收机

接收机从本质上说是发射机的反向实现,但在设计上更为复杂。接收机首先把输入的射频信号下变频为中频信号,然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大。发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。

解调过程通常包括以下阶段: 载波频率恢复( 载波锁定)、符号时钟恢复( 符号锁定)、信号分解为I 和Q 分量(I-Q 解调)、I 和Q 符号检测、比特解调和去交织( 解码比特)、解压缩( 扩展至原始比特流),如果需要最后是数模转换。

接收机与发射机的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收机中,符号时钟的频率和相位( 或计时) 都必须正确,才可以成功地解调比特和恢复已发射信息。例如,符号时钟的频率设置正确,但相位错误。就是说如果符号时钟与符号间的过度同步,而不是符号本身,解调将会失败。

接收机设计的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。有些时钟恢复技术包括测量调制幅度度变化、或者在带有脉冲载波的系统中可以使用功率打开事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时,这项任务便可以简单些。

VSA 数字调制分析概念和工作原理

VSA 可被看作是基于软件的测量接收机。它实际上是在数字调制解码时采用与大多数数字无线接收机相似技术的I-Q 接收机。不同的是,VSA 软件专为高精度参数测量和调制特性显示而设计。还有,VSA 是能够测量和分析数字通信发射机与接收机系统几乎所有方面的测量工具。

图7. 带有射频前端的VSA 测量系统的简化方框图。对于其它前端,VSA 软件将执行所给前端不支持的功能。

图7 显示了Agilent 89600B VSA 的简化系统方框图。你可能注意到系统方框中的许多部分与图6 所示的数字通信接收机的类似。通过几个阶段的超外差式混频将射频输入信号下变频为能被ADC 精确数字化的中频信号。有多种不同类型的前端都可完成这个过程。有的比如信号分析仪提供射频信号检测和中频数字化。其它的像示波器和逻辑分析仪则提供完全数字化的基带信号。VSA 所需的输入是经过数字化的时间采样数据。随后,对这个数字化信号进行矢量( 正交) 检测和数字过滤; 如果需要,将其最后一次下变频为I 和Q 基带信号格式(I-Q 时间数据) 并存储在RAM 中。接着就是使用DSP 算法解调这个信号; 恢复载波和符号时钟并应用建滤波和解码( 恢复原始比特)。几乎任何一种调制格式都可被这个DSP 软件解调。

VSA 的实现与无线接收机不同,VSA 处理采样的信号是基于样本块; 而无线接收机是实时串行串行数据。当为VSA 软件提供无线接收机参数时,它可以通过DSP 的处理过程合成这个接收机。它能够提供接收机的全部功能,甚至包括生成模拟波形。因为信号实际上是数字化的,它可被后期处理并在时域、频域或调制域的任何域中查看。

VSA 数字解调

VSA 中数字解调过程的核心是数字解调。图8 显示了Agilent 89600B 所使用的数字解调算法的简化方框图。数字解调算法提供通用解调,仅需输入信号很少的先验信息即可执行解调,并适用于非常广泛的调制格式。解调器提供载波锁定、符号时钟恢复和比特恢复( 对实际已编码的1 和0 进行解码),并生成I-Q 测量波形。解调器还能产生理想的I-Q 波形,这些波形由真实的已恢复比特( 称为I-Q 参考波形 ) 合成。I-Q 测量波形与参考波形的差可得到I-Q 误差波形。分析I-Q 误差波形可得出调制质量数据结果,该结果可以通过各种数据格式和显示输出进行查看。

解调过程从配置VSA 基于软件的解调器开始。解调算法必须根据特定的数字调制格式进行配置,以恰当地解调和分析信号。大多数分析选件提供一组标准预设值,例如GSM、W-CDMA、cdma2000 或802.11a/b/g,可自动配置解调器。在这些情况下,输入中心频率并选择一个标准预置,软件就可以解调信号。

灵活配制或用户定义的解调

Agilent 89600B VSA 软件通过一个通用的、用户可定义的解调器提供更多额外功能。它允许针对非标准格式或故障诊断定制解调器配置。图8 的解调方框图显示了内部解调过程( 矩形框内) 和用户可设的配置参数( 椭圆或圆角矩形框内)。椭圆框内的项目是用于定义测量所需的解调器的配置参数。圆角框内是用户可调节的输入参数。解调算法至少知道调制格式(QPSK、FSK 等)、符号速率、基带滤波器类型和滤波器 α/BT 等参数。这组参数通常通常足以满足解调器锁定信号以及很多格式的符号恢复的需要。其它格式,像定制的OFDM 针对具体格式类型则需要额外的信息。

图8. 数字方框图

数字解调基带滤波

前面提到,数字解调利用基带滤波来限制带宽和降低码间干扰。还有,就像通信接收机一样,数字解调基带滤波必须配置的与被测系统匹配,以精确地解调信号。这同样要求滤波器类型( 如Nyquist 或Gaussian) 与滤波器带宽系数(α 或BT) 匹配。

如图9 所示,I-Q 测量波形和I-Q 参考波形具备独自的信号处理路径和基带滤波。I-Q 测量波形必须使用与被测系统的接收机滤波相匹配的基带滤波。该滤波器称为测量滤波器或Meas Filter。I-Q 参考波形必须使用与被测系统的总体( 发射机和接收机) 信道滤波相匹配的基带滤波。该滤波器称为参考滤波器或Ref Filter。参考滤波器能够仿真总体信道滤波因为它用来合成可被“完美的”线性信道信道响应接收的理想的I-Q 信号。解调器必须利用总体系统信道滤波才能精确地合成参考I-Q 波形。

选择恰当的滤波

在数字通信系统中,基带滤波可能出现在发射机或接收机上; 或者分布在发射机和接收机之间,发射机中完成一半滤波,接收机中完成另外一半。这是个很重要的概念,会影响到解调器在处理I-Q 测量波形和I-Q 参考波形时所需的滤波器类型。VSA 软件的Meas Filter 代表系统接收机的基带滤波,而Ref Filter 代表整个系统的基带滤波( 接收机和发射机整体的信道滤波)。

图9. 可选的匹配滤波器用于代表发射机和接收机的滤波。

借助已检测的比特,再结合对调制类型和滤波的了解,可以确定理想信号。

选择正确的解调基带滤波可能并不像想象中的那么简单直接,尤其是对于分布式系统。例如,北美数字蜂窝(NADC) 标准采用分布式滤波; 在发射机和接收机中都使用了根升余弦滤波器。参见图9。在VSA 解调里,针对I-Q 测量波形使用一个根升余弦滤波器( 与系统接收机滤波匹配,系统发射机含有一个类似滤波器)。对于I-Q 参考波形,您可以使用一个升余弦滤波器( 与整体系统信道滤波匹配)。这是因为平方根( 升余弦) 乘以平方根( 升余弦) 的结果就等于升余弦滤波器。

表1 显示了一些常用的滤波器类型以及测量和参考滤波器基于发射机滤波器类型的选择示例。

表1. 常用的发射机滤波器类型

滤波器 α 和BT 带宽时间产品

可精确代表被测系统的另一个滤波器参数是滤波器带宽系数,定意为滤波器 α 或BT。每个滤波器类型将会有一个对应的滤波器带宽系数; Nyquist 滤波器使用 α,高斯滤波器使用BT。解调器对测量滤波器和参考滤波器使用相同的 α 或BT 值。

根据具体的应用需求,数字通信使用许多滤波器类型,传统上,使用Nyquist ( 升余弦) 滤波器是因为它能最小化ISI 。如图10 所示,Nyquist 滤波器脉冲响应的峰值幅度出现在符号时刻t = 0 幅度时,而在所有其它符号时刻为零。也就是说,该响应在符号周期的整数倍(1 除以 fs) 通过零点。这意味着Nyquist 已过滤的符号不会干扰周围的符号( 即符号间干扰为零)。虽然Nyquist 滤波器可最大限度地减少ISI,但对于有些应用ISI 并不是最重要的标准。另外两种常用的滤波器类型是高斯滤波器和Chebyshev 滤波器。高斯滤波器不具备最佳的ISI 特性,但在平衡载波功率、占用带宽和符号时钟恢复方面具有优势。它通常使用在GSM ( 全球移动通信系统) 的无线电话系统中。Chebyshev 滤波器具有陡降特性,能够有效减少对相邻信道的功率泄漏。

Chebyshev 滤波器通常应用在使用CDMA ( 码分多址) 调制方案的无线电话系统中,例如cdmaOne 和cdma2000。除了这里探讨的类型外,数字通信领域还采用许多其它类型的滤波器。

图10. Nyquist 滤波器最大限度地降低符号间干扰(ISI)。

Alpha

Alpha (α) 描述了Nyquist ( 升余弦) 滤波器的滚降程度。参见图10。Alpha也称为滚降或多余带宽因子。α 值较高,则会增加理论最小值之外的带宽。调制原理指出,发射一个信号所需的最小带宽等于符号率的一半。不过,要实现这个系统带宽,需要一个完美的砖墙式( 矩形) 滤波器,也就是 α 等于0,占用带宽等于符号率。但砖墙式滤波器并不能实现,所以实际中的通信系统一般采用 α 等于0.3 的滤波器。α 值为0.3 意味着滤波器将使用比理论最小值多30% 的占用带宽。这个值是频谱效率和最小ISI 的一个很好的折衷。对于给定 α 的占用带宽近似等于采样率乘以(1 + α)。

BT — 带宽时间产品

BT ( 带宽时间产品) 是高斯滤波器对应的滤波器系数,描述了这个滤波器的滚降程度。高斯滤波器通常使用0.3 ~ 0.5 的BT 值。

解调分析

一旦用户提供了输入配置,解调器就利用它们并通过DSP 以块状格式接收来自VSA 可用样本存储器的I-Q 时间数据。VSA 软件能够接收来自外部硬件( 例如Agilent X 系列信号分析仪或Infiniium 系列示波器) 或记录文件的I-Q 时间数据。解调器使用所提供的中心频率和符号率锁定载波,并且从调制载波上恢复符号时钟。注意,解调器参考时钟不需要与源时钟锁定。解调算法自动提供载波和符号锁定; 不必提供额外的源时钟输入。然后信号通过补偿过程应用增益和相位校正。补偿数据( 例如幅度幅度偏差和I-Q 偏置误差数据) 被存储并可以在误差汇总表中查看。随后,应用数字基带滤波以恢复基带I-Q 波形(I-Q 测量时间数据)。将已恢复的I-Q 波形送入到符号检测器,基于具体的调制格式来尝试确定发射的符号。从符号块中,解码和恢复串行数据比特(1 和0)。参考产生器使用已检测的符号再结合调制格式、符号率以及特定滤波,从而合成一组理想的I-Q 参考基带波形(I-Q 参考时间数据)。最终将测得的I/Q 波形和参考I-Q 波形进行对比,得到一系列误差特性( 与理想波形之间的偏差),例如相位误差、幅度误差和误差矢量幅度(EVM)。

I-Q 测量和I-Q 参考信号

通过对比测得的信号与理想的参考信号,可以分析I-Q 调制信号的质量。参见图9。解调过程会生成两个波形: I-Q 测量波形和I-Q 参考波形。I-Q 测量波形是针对输入信号解调的基带I-Q 数据,也称为IQ 测量时间。I-Q 参考波形是如果输入信号是理想的( 没有误差),在解调该输入信号后应该得到的基带I-Q 数据,也称为IQ 参考时间。假设原始的数据序列可以被恢复,I-Q 参考波形从I-Q 波形恢复的数据比特中采用数学方法导出。I-Q 参考波形的产生开始于恢复已解调I-Q 测量波形的实际符号比特,随后重建理想的I 和Q 状态序列。这些状态再作为理想的脉冲,并根据参考信道滤波进行基带过滤,从而生成一个理想的I-Q 参考波形。然后对比I-Q 测量波形与I-Q 参考波形,分析输入信号的质量。从已测波形中减去参考波形得到误差矢量波形,或I-Q 误差波形。这种方法能够揭示非常微小的信号变化,并能转化为信号的质量信息,这些信息是传统调制质量测量方法所不能提供的。

测量概念

现在已解释了一些数字调制基础和VSA 的系统原理,下一步是了解关于数字调制分析测量结果与用于系统故障诊断的轨迹轨迹显示。下面的例子显示了QPSK ( 正交相移键控) 的测量结果,调制信号的符号速率是50 ksym/s, α 等于0.35 的根升余弦基带滤波器。正交表示载波信号在相差90°的相位状态之间转换。信号以90° 为增量在45° 到135°、-45° 或-135° 变化。QPSK 有四个可用状态。每个状态分配一个0 ~ 3 的二进制值,这要求每个状态有2 个比特,也就是每符号两个比特。只要两个I 值和两个Q 值就可生成四种状态,同时满足双比特码元的要求。

矢量 ( 或IQ)

矢量示意图,通常更多地称为数字调制的IQ 图,显示了时间上各个时刻所恢复的复杂I-Q 基带信号。它显示了信号状态以及信号在符号之间移动时的跳变过程。从原点到矢量示意图上某个点绘制的矢量线对应着此刻的瞬时电压。

图11a 显示了前面提到的QPSK 调制信号的IQ 图示例。IQ 图显示了4 个理想的状态位置( 以十字表示),分别是45°、135°、-45° 和-135°。还有已检测的符号和符号间的跳变。IQ 图给出了峰均电压比,它可用于确定放大器的压缩情况。

图11. QPSK 量图和星座图

矢量图解释

在I-Q 平面上查看信号时,记住你是在观察信号相对载波的幅度和相位。未调制的载波是相位参考(0°)。图11 中,每个检测的符号都是相对未调制载波以不同的幅度和相位进行调制,但频率与载波一致。如果检测到符号频率与未调制载波的不同,它的表象是信号相对未调制载波连续增加或减小相位似的移动。还有,数字调制属于三维测量,根据I ( 同相)/Q ( 正交)分量与时间的关系进行调制。而IQ 图仅是二维图,所以与I-Q 平面( 或CRT屏幕) 垂直的时间参数无法显示。

星座图

图11b 显示了与前面相同的QPSK 信号的星座图。星座图显示了与符号时钟同步的载波幅度和相位。这些测量点通常就是检测判断点,代表已检测的符号。它与I-Q 图类似,只是不显示状态间的跳变轨迹轨迹。

理想状态下,所有符号都应显示为单点,并集中在理想状态位置处( 以十字坐标显示)。理想状态是指信号没有误差时的符号位置。不过由于信号的损伤及其它调制误差会造成偏差,符号会分散在理想状态位置的周围。

89600B VSA 允许你在理想状态周围放置一个定义好的误差限制圈。显示的实际已检测符号与理想状态可以帮助您直观地了解信号质量。星座图有助于识别幅度不平衡、正交误差或相位噪声等信号损伤。

误差矢量幅度(EVM)

在数字通信系统中应用最为广泛的调制质量指标是误差矢量幅度(EVM)。误差矢量是指在给定时间的理想参考信号和所测信号之间的矢量差。参见图12。误差矢量是一个复参量,包含幅度和相位分量。不要将误差矢量幅度与幅度误差、误差矢量相位与相位误差相混淆。

图12. 误差矢量幅度(EVM); 实际测得的信号与理想参考信号的差异

EVM 定义为在符号时钟跳变时刻误差矢量的均方根(rms)。按照惯例EVM 通常归一化为最外面符号的幅度或符号平均功率的平方根。EVM 测量在有些通信标准中也称为相对星座误差(RCE),各种相关数据结果对于任意

数字调制格式中影响信号的幅度和相位轨轨迹路的损伤都十分敏感。因此,EVM 是一种分析诊断通信系统基带、中频或射频部分中的故障的理想测量工具。

图13 是图12 中定义的调制质量测量的示例。误差矢量时间数据( 轨迹A) 是根据I-Q 测量信号和I-Q 参考信号上相应符号点计算出的误差矢量幅度。误差矢量频谱数据( 轨迹B) 显示了误差矢量时间数据的频谱。也就是说,误差矢量时间数据被加窗并FFT 以生成误差矢量频谱轨迹。这种格式能够揭示使得制载波偏离理想路径的多余信号的频谱成分。如果这些误差成分是确定的,它们会以频谱轨迹的形式显示在误差矢量频谱上。测量这些频谱,可以更深入地了解这些误差信号的本质与来源。频率峰值通常会对应方框图中某处的一个信号。I-Q 幅度误差( 轨迹C) 和I-Q 相位误差( 显示D) 显示了I-Q 测量信号和I-Q 参考信号间的误差。I-Q 幅度误差显示幅度误差,I-Q相位误差显示相位误差。

图13. 轨迹A ( 误差矢量时间) 显示了符号点处的误差矢量幅度。轨迹B ( 误差矢量频谱) 显示了误差矢量时间数据的频谱。轨迹C (IQ 幅度误差) 是测量IQ 波形和IQ 参考波形的幅度差。

轨迹D (IQ 相位误差) 是测量IQ 波形和IQ 参考波形的相位差。

符号表/ 误差汇总

符号表/ 误差汇总测量结果可能是数字解调最强大的工具了。你可以看到解调比特,以及所有解调符号的误差统计。例如,查看rms EVM 值可以帮助你快速评估调制精度。还有其它很多有价值的误差报告。图14 显示了前面使用的QPSK 信号的符号表/ 误差汇总数据。标记读数显示的是符号表中突出显示的比特对应的值,代表符号3,数值为2 (“10”的二进制值)。可以看出这个值与QPSK 调制所需的双比特码元一致。误差表显示了适用于QPSK 调制信号的统计数据与误差数据。其它误差值为其它格式所用。我们已经讨论了一些基本的调制测量,但还有很多定性显示和定量测量并未涉及。

图14. 符号表/ 误差汇总数据提供解调比特及所有已解调信息的误差统计。

模拟调制分析

矢量调制分析可以提供的另一种重要的测量工具是模拟调制分析。模拟调制产生AM、FM 和PM 解调结果,类似于调制分析的输出,允许你查看幅度、频率和相位特性对时间的关系。这些模拟调制分析能力增强了VSA 已有的数字调制分析功能,提供完整的分析数字通信系统的测量解决方案。例如,可使用模拟调制能力分析像FSK ( 频移键控) 这样的有意调制; 像相位噪声或AM-PM 转换这样的无意调制; 或者像频率或相位稳定或脉冲成形过程这种单脉冲信号参数。

解调信号的过程看上去挺复杂,但矢量调制和I-Q 调制过程的基础特性使得解调变得简单。前面提到的矢量或IQ 图( 图2 和11) 显示了调制载波相对未调制载波的瞬时幅度和相位,这有助于显示数字调制特性。不过它还提供了一个简单的方法来查看模拟调制信号特性,例如图15 所示的AM、PM 和FM 调制。未调制连续波(CW) 信号简单地显示为一个幅度与相位恒定的固定点。AM 信号的轨迹经过原点沿着固定线路,只有信号幅度发生改变。FM 信号的轨迹是以原点为中心的圆圈,瞬时频率偏差由相位变化率给出。PM 与FM 的轨迹类似,当然,相位的相对变化是关键参数。在矢量调制中,幅度和相位可同时改变,矢量轨迹会在幅度和相位上都发生变化。

图15. I-Q 示意图中I-Q 平面上的模拟调制特性。

传统上,为了查看载波调制波形( 调制包络),应当通过检波移除载波并将结果波形显示在幅度对时间的示波器上。不过,取代在载波上检测调制的思想,在矢量调制中,我们将载波“搬移”或“下变频”到0 Hz 之后再在剩下的部分里查看调制。频移的直观图将显示利用基本三角恒等式载波上幅度和相位变化是如何被“检测”的。

图16. 调制通过搬移载波频率(fc) 至0 Hz 测量。当数字LO 频率等于调制载波频率时,正交检波器的输出 —I(t) 和Q(t) 时域波形 — 就是载波上的调制。

如图16 所示,复调制载波信号以(V(t) = A(t)Cos[2πfct + Ø(t)]) 表示,频率fc 是用于频率转换的正交混频器( 或正交检测器) 的输入。为恢复基带调制信号,首先通过设置LO 频率为fc 将载波下变频至基带(0 Hz)。随后基带信号经过低通滤波,只留下差频。这个过程生成实部I(t) 和虚部Q(t) 时域波形,表示已调制载波信号与未调制LO 信号的幅度和相位差,以载波为参考。这是载波调制以I(t) 和Q(t) 分量( 直角坐标) 表示的形式,而不是幅度A(t) 和相位Ø(t)。前面提到I-Q 解调执行极坐标—直角坐标的转换。不过,通过对I(t) 和Q(t) 分量应用一些运算和简单的三角恒等式,我们也能够获得瞬时幅度A(t) 或相位Ø(t) 这些载波上的变化。这就是AM 和PM 调制。

幅度调制AM 是载波幅度A(t) 随时间的变化,由I(t) 和Q(t) 的平方和开平方根得出。

AM = A(t) = sqrt[I2(t) + Q2(t)]

相位调制PM 是相位Ø(t) 随时间的变化,等于[Q(t)/I(t)] 的反正切。频率调制FM 是相移对时间dØ/dt 的导数。即,FM 是PM 的导数:

PM = Ø(t) = arctan[Q(t)/I(t)]
FM = PM 的导数= (dØ/dt)

从I(t) 和Q(t) 开始,通过应用基本三角恒等式,我们完成了载波的第一阶解调,能够查看AM、PM 和FM 调制。实际中,VSA 软件使用精密的解调算法再结合频率和相位误差校准程序,可以精确地将有意和无意调制从载波上分离出来。模拟解调可使PM、FM 与AM 完全分离。同样地,AM 也可与PM、FM 完全分离。

总结

本文介绍了运用在基于软件的矢量信号分析中的矢量/ 数字调制技术和数字调制分析的基本原理。描述了数字( 矢量或I-Q) 调制和常见数字调制格式。VSA 架构类似于数字通信系统,因此我们也描述了无线接收机和发射机的方框图,介绍了生成、发射、接收以及恢复原始数字信息的过程。随后,我们着眼于VSA 数字解调方框图并描述了每个功能及正确解调信号并进行测量的相关解调参数。带有矢量调制分析功能的VSA 提供强大的专业测量能力,允许你贯穿整个数字系统( 系统使用I 和Q 信号) 的方框图进行表征和故障诊断。通过借鉴本章节内容,针对你的通信系统,你将更加明确地选择所需的测量仪器和必备工具。现在,VSA 既可作为嵌入式专用软件运行在信号分析仪,示波器和逻辑分析仪上,也可作为独立软件与多种测量前端和仿真软件兼容。

参考文献

[1]安捷伦.安捷伦矢量信号分析基础[G/DK].北京:安捷伦科技(中国)有限公司.2012.

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