前言
本文介紹 VSA 的矢量調制分析和數字調制分析測量能力。某些掃頻調諧頻譜分析儀也能通過(guò)使用另外的數字無(wú)線(xiàn)專(zhuān)用軟件來(lái)提供數字調制分析。然而，VSA 通常在調制格式和解調算法配置等方面提供更大的測量靈活性，并提供更多的數據結果和軌跡軌跡顯示。本文中描述的基本的數字調制分析概念也同樣適用于使用額外數字調制分析軟件的掃頻調諧分析儀。
VSA 真正的威力在于它測量和分析矢量調制信號和數字調制信號的能力。矢量調制分析是指測量具有實(shí)部和虛部分量的復信號。
矢量調制分析提供一個(gè)重要的測量工具就是模擬調制分析。例如，Agilent 89600B VSA 軟件提供了模擬調制分析，并且可以像調制分析儀一樣產(chǎn)生 AM、FM 和 PM 解調結果，允許你查看幅度、頻率和相位隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。這些額外的模擬解調能力可以用來(lái)對數字通信發(fā)射機中的特殊問(wèn)題進(jìn)行故障診斷。例如，相位解調經(jīng)常用于在特殊 LO 頻率上不穩定性問(wèn)題的故障分析。
由于數字通信系統使用復信號 (I-Q 波形 )，所以需要使用矢量調制分析功能來(lái)測量數字調制信號。但是矢量調制分析還不足以測量今天復雜的數字調制信號。你還需要數字調制分析。數字調制分析用來(lái)將射頻調制載波信號解調為其復數分量 (I-Q 波形 )，之后你可以應用數字和可視化工具快速識別和定量分析 I-Q 波形的缺損。數字調制分析可以檢波和恢復數字數據比特。
數字解調還提供了調制質(zhì)量測量。使用于 Agilent VSA 的技術(shù) ( 在本節后面討論 ) 可以顯示非常細微的信號變化，并最終將其轉化為信號質(zhì)量信息。而這些是傳統的調制質(zhì)量測量方法無(wú)法提供的。各種顯示格式和能力用來(lái)查看基帶信號特性并分析調制質(zhì)量。VSA 提供傳統的顯示格式，例如 I-Q 矢量圖、星座圖、眼圖和網(wǎng)格圖。符號 / 誤差匯總表顯示了實(shí)際恢復的比特和有價(jià)值的誤差數據，例如誤差矢量幅度 (EVM)、幅度誤差、相位誤差、頻率誤差、rho 和 I-Q 偏置誤差。其它顯示格式，例如幅度 / 相位誤差對時(shí)間、幅度 / 相位誤差對頻率或均衡，允許你進(jìn)行頻率響應測量和群時(shí)延測量，或查看碼域結果。VSA 提供的顯示格式和測量能力還有許多，這些僅僅是一部分代表。各種功能的可用性取決于分析能力以及將要測量的數字調制格式類(lèi)型。
VSA 的數字調制方案提供對多種數字通信標準，例如 GSM、EDG、W-CDMA和 cdma2000 以及其它數字調制格式，比如 LTE、WLAN 和 WiMAX，包括 MIMO信號的測量支持。這些信號比我們在這里將要考察的簡(jiǎn)單信號復雜得多。測量可能是連續載波或脈沖載波 ( 例如 TDMA)，可以貫穿整個(gè)數字通信系統方框圖，對基帶、IF 和射頻位置進(jìn)行測量。不需要外部濾波、相關(guān)載波信號或符號時(shí)鐘計時(shí)信號。Agilent VSA 中的數字解調通用算法還允許你測量非標準格式的信號，針對定制的測試和分析改變用戶(hù)定義的數字測量參數。
矢量調制和數字調制
我們先回顧一下矢量調制和數字調制。特別注意，雖然調制器和解調器兩個(gè)術(shù)語(yǔ)含有硬件的意思，但是基于軟件的 VSA ，實(shí)際上是基于 DSP 的軟件在執行調制 / 解調的。數字調制是無(wú)線(xiàn)、衛星和地面通信行業(yè)中使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指數字狀態(tài)由載波相對相位和 / 或幅度表示的一種調制。雖然我們討論的是數字調制，但是應記住這種調制并不是數字的，而真正是模擬的。調制是按照調制 ( 基帶 ) 信號的幅度變化成比例地改變載波的幅度、頻率或相位。參見(jiàn)圖 1。在數字調制中，基帶調制信號是數字式的，而調制過(guò)程不是數字的。
圖 1. 在數字調制中，信息包含在載波的相對相位、頻率或幅度中。
基于具體的應用，數字調制可以同時(shí)或單獨改變幅度、頻率和相位。這類(lèi)調制可以通過(guò)傳統的模擬調制方案，例如幅度調制 (AM)、頻率調制 (FM) 或相位調制 (PM) 來(lái)完成。不過(guò)在實(shí)際系統中，通常使用矢量調制 ( 又稱(chēng)為復數調制或 I-Q 調制 ) 作為替代。矢量調制是一種非常強大的調制方案，因為它可生成任意的載波相位和幅度。在這種調制方案中，基帶數字信息被分離成兩個(gè)獨立的分量 : I ( 同相 ) 和 Q ( 正交 ) 分量。這些 I 和 Q 分量隨后組合形成基帶調制信號。I 和 Q 分量最重要的特性是它們是獨立的分量 ( 正交 )。在下面的討論中你將進(jìn)一步了解 I 和 Q 分量，以及數字系統使用它們的原因。
圖 2. 數字調制 I-Q 圖
理解和查看數字調制的簡(jiǎn)單方法是使用圖2 所示的 I-Q 或矢量圖。在大多數數字通信系統中，載波頻率是固定的，因此只需考慮相位和幅度。未經(jīng)調制的載波作為相位和頻率參考，根據調制信號與載波的關(guān)系來(lái)解釋調制信號。相位和幅度可以作為 I-Q 平面中的虛線(xiàn)點(diǎn)在極坐標圖或矢量坐標圖中表示。參見(jiàn)圖 2。I 代表同相位 ( 相位參考 ) 分量，Q 代表正交 ( 與相位相差 90 °)分量。你還可以將同相載波的某具體幅度與正交載波的某具體幅度做矢量加法運算，來(lái)表示這個(gè)點(diǎn)。這就是 I-Q 調制的原理。
將載波放入到 I-Q 平面預先確定的某個(gè)位置上，然后發(fā)射已編碼信息。每個(gè)位置或狀態(tài) ( 或某些系統中狀態(tài)間的轉換 ) 代表某一個(gè)可在接收機上被解碼的比特碼型。狀態(tài)或符號在每個(gè)符號選擇計時(shí)瞬間 ( 接收機轉換信號時(shí) ) 在 I-Q 平面的映射稱(chēng)為星座圖。參見(jiàn)圖 3。一個(gè)符號號代表一組數字數據比特 ; 它們是所代表的數字消息的代號。每個(gè)符號號包含的比特數即每符號號比特數 (bpsym) 由調制格式?jīng)Q定。例如，二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK) 使用 1 bpsym，正交相移鍵控 (QPSK) 使用 2 bpsym，而 8 相移鍵控 (8PSK) 使用 3bpsym。理論上，星座圖的每個(gè)狀態(tài)位置都應當顯示為單個(gè)的點(diǎn)。但由于系統會(huì )受到了各種損傷和噪聲的影響，會(huì )引起這些狀態(tài)發(fā)生擴散 ( 每個(gè)狀態(tài)周?chē)蟹稚⒌狞c(diǎn)呈現 )。圖3 顯示了 16 QAM 格式 (16 正交幅度度調制 ) 的星座圖或狀態(tài)圖 ; 注意，此時(shí)有 16 個(gè)可能的狀態(tài)位置。該格式使用 4 比特數據串，編碼為單個(gè)幅度度 / 相位狀態(tài)或符號號。為了產(chǎn)生這一調制格式，基于被傳輸的代碼，I 和 Q 載波都需采用 4 個(gè)不同的幅度度電平。
圖 3. 星座圖中的每個(gè)位置或狀態(tài)代表一個(gè)具體的比特碼型 ( 符號號 ) 和符號號時(shí)間
在數字調制中，信號在有限數量的符號或狀態(tài)中移動(dòng)。載波在星座圖各點(diǎn)間移動(dòng)的速率稱(chēng)為符號率。使用的星座狀態(tài)越多，給定比特率所需的符號率就越低。符號率十分重要因為它代表了傳輸信號時(shí)所需的帶寬。符號號
率越低，傳輸所需的帶寬就越小。例如，前面提到過(guò)的 16 QAM 格式使用每符號號 4 比特的速率。如果無(wú)線(xiàn)傳輸速率為 16 Mbps，則符號率 = 16 (Mbps) 除以 4 比特即 4 MHz。此時(shí)提供的符號號率是比特率的四分之一和一個(gè)更高效的傳輸帶寬 (4 MHz 相對 16 MHz)。
I-Q 調制
在數字通信中，I-Q 調制將已編碼的數字 I 和 Q 基帶信息放入載波中。參見(jiàn)圖 4。I-Q 調制生成信號的 I 和 Q 分量 ; 從根本上講，它是直角坐標—極坐標轉換的硬件或軟件實(shí)現。
圖 4. I-Q 調制
I-Q 調制接受 I 和 Q 基帶信號作為輸入，并將它們與相同的本地振蕩器 (LO) 混合。注意，這個(gè)可能是數字 ( 軟件 ) LO。下面，I 和 Q 均會(huì )上變頻到射頻載波頻率。I 幅度度信息調制載波生成同相分量。Q 幅度度信息調制 90° ( 直角 ) 相移的載波生成正交分量。這兩種正交調制載波信號相加生成復合 I-Q 調制載波信號。I-Q 調制的主要優(yōu)勢是可以容易地將獨立的信號分量合并為單個(gè)復合信號，隨后同樣容易地再將這個(gè)復合信號分解為獨立的分量部分。以 90° 分離的信號彼此之間呈直角或正交關(guān)系。I 和 Q 信號的正交關(guān)系意味著(zhù)這兩個(gè)信號是真正獨立的，它們是同一信號的兩個(gè)獨立分量。雖然 Q 輸入的變化肯定會(huì )改變復合輸出信號，但不會(huì )對 I 分量造成任何影響。同樣地，I 輸入的變化也不會(huì )影響到 Q 信號。
I/Q 解調
如圖5 所示，I-Q 解調是圖4 所示的 I-Q 調制的鏡像。I-Q 解調從復合 I-Q調制輸入信號中恢復原始的 I 和 Q 基帶信號。
圖 5. I-Q 解調 ( 或正交檢測 )
解調過(guò)程的第一步是將接收機 LO 鎖相至發(fā)射機載頻。為了正確地恢復 I 和 Q 基帶分量必須要把接收機 LO 鎖相至發(fā)射機載波 ( 或混頻器 LO)。隨后，I-Q調制載波與未相移的 LO 和相移 90° 的 LO 混合，生成原始的 I 和 Q 基帶信號或分量。在 VSA 軟件中，使用數學(xué)方法實(shí)現 90° 相移。
從根本上講，I-Q 解調過(guò)程就是極坐標—直角坐標的轉換。通常如果沒(méi)有極坐標—直角坐標轉換，信息不能在極坐標格式上繪制并重解釋為直角值。參見(jiàn)圖 2。這種轉換與 I-Q 解調器所執行的同相和正交混合過(guò)程完全一致。
為什么使用 I 和 Q ?
數字調制使用 I 和 Q 分量，因為它可提供簡(jiǎn)單有效、功能強大的調制方法來(lái)生成、發(fā)射與恢復數字數據。I-Q 域中的調制信號具有很多優(yōu)勢:
1. I-Q 的實(shí)現提供一種生成復信號 ( 相位和幅度均改變 ) 的方法幅度。I-Q 調制器不使用非線(xiàn)性，難實(shí)現的相位調制，而是簡(jiǎn)單的對載波幅度度及其正交量進(jìn)行線(xiàn)性調制。具有寬調制帶寬和良好線(xiàn)性的混頻器很容易得到，基于基帶和中頻軟件的 LO 也是。為生成復調制信號，只需產(chǎn)生信號的基帶 I 和 Q 分量。I-Q 調制的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是調制算法可以生成從數字制式到射頻脈沖甚至線(xiàn)性調頻雷達等各種調制。
2. 信號的解調也同樣簡(jiǎn)單明了。使用 I-Q 解調至少理論上可以輕松地恢復基帶信號。
3. 在 I-Q 平面上觀(guān)查信號經(jīng)常能更好地洞察信號。串擾、數據偏移、壓縮以及AM-PM 失真等用其它方法難以呈現的現象在 I-Q 平面上可以輕松查看。
數字射頻通信系統
圖6 是一個(gè)通用的使用 I-Q 調制的數字射頻通信系統的基本架構的的簡(jiǎn)化方框圖，通過(guò)對該系統基本概念的了解能更好地理解帶有矢量調制分析功能的 VSA 的工作情況。通信發(fā)射機和計算機的所有部分都可被帶有矢量調制分析的 VSA 測量并分析。還有，即使是該方框圖的軟件仿真也可被 VSA 分析，因為 VSA 只需要利用時(shí)間采樣數據。
圖 6. 數字射頻通信系統的簡(jiǎn)化方框圖。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出現。
數字通信發(fā)射機
通信發(fā)射機開(kāi)始于語(yǔ)音編碼 ( 假設進(jìn)行語(yǔ)音傳輸 )，即對模擬信號進(jìn)行量化并轉化為數字數據 ( 數字化 ) 的過(guò)程。隨后，數據壓縮用于降低數據速率并提高頻譜效率。信道編碼和交織屬于常見(jiàn)技術(shù)，通過(guò)最小化噪聲與干擾的影響來(lái)改進(jìn)信號完整性。額外的比特經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行誤差校準或者作為識別和均衡的訓練序列。這些技術(shù)還使與接收機的同步 ( 找尋符號時(shí)鐘 ) 更簡(jiǎn)單。符號編碼器將串行比特流轉換為適當的 I 和 Q 基帶信號，對應具體的系統每個(gè)信號映射到 I-Q 平面上符號。符號時(shí)鐘代表各個(gè)符號傳輸的頻率和精確計時(shí)。當符號時(shí)鐘跳變時(shí)，發(fā)射載波在正確的 I-Q ( 或幅度 / 相位) 值上代表具體的符號 ( 星座圖的特定點(diǎn) )。各個(gè)符號的時(shí)間間隔即為符號時(shí)鐘周期，其倒數是符號時(shí)鐘頻率。當符號時(shí)鐘與檢測符號的最佳瞬時(shí)同步時(shí)，符號時(shí)鐘相位是正確的符號。
一旦 I 和 Q 基帶信號生成后，它們會(huì )被過(guò)濾 ( 帶限 ) 以提高頻譜效率。未經(jīng)過(guò)濾的無(wú)線(xiàn)數字調制器的輸出會(huì )占用非常寬的帶寬 ( 理論上是無(wú)限寬 )。這是因為調制器被基帶 I-Q 方波的快速跳變所驅動(dòng) ; 時(shí)域上的快速跳變等同于頻域上的寬頻譜。這種情況不可接受是因為它會(huì )減少其他用戶(hù)的可用頻譜并造成對鄰近用戶(hù)的信號干擾，稱(chēng)之為鄰信道功率干擾?；鶐V波通過(guò)限制頻譜以及限制對其它信道的干擾解決了這一問(wèn)題。實(shí)際上，濾波減緩了狀態(tài)之間的快速轉換，從而限制了頻譜。不過(guò)濾波也不是沒(méi)有缺點(diǎn) ; 它會(huì )導致信號和數據傳輸性能的下降。
信號質(zhì)量的下降是由于頻譜分量的減少、過(guò)沖以及濾波器時(shí)間 ( 脈沖 ) 響應引起的有限振鈴效應。頻譜分量減少了就會(huì )使信息丟失，從而可能導致接收機重建信號困難，甚至是不可重建的。濾波器的振鈴響應可能持續很久，以致影響到隨后的符號，并產(chǎn)生碼間串擾 (ISI)。ISI 定義為前后符號的多余能量干擾到當前的符號，導致接錯誤地解碼。濾波器的最佳選擇就成為頻譜效率和 ISI 的折衷。在數字通信設計中，有一款常用的特定類(lèi)型的濾波器稱(chēng)為Nyquist 濾波器。Nyquist 濾波器是一個(gè)理想的濾波器選擇，因為它能夠最使數據速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道帶寬需求。在本節后面的部分，你將會(huì )進(jìn)一步了解這種濾波器。為了改進(jìn)系統的整體性能，濾波器一般會(huì )在發(fā)射機和接收機之間共享或分配。在這種情況下，為了最小化 ISI，濾波器必須盡可能地匹配發(fā)射機和接收機并正確實(shí)現。圖6 僅顯示了一個(gè)基帶濾波器。但在實(shí)際中會(huì )用到兩個(gè)，I 和 Q 信道各有一個(gè)。
已過(guò)濾的 I 和 Q 基帶信號是 I-Q 調制器的輸入。調制器中的 LO 可能工作在中頻 (IF) 或直接工作在最終的無(wú)線(xiàn)射頻 (RF) 上。調制器的輸出是中頻 ( 或射頻 )上的兩個(gè)正交 I 和 Q 信號的合成。調制后，如果需要，信號會(huì )上變頻到射頻。再將任何多余的頻率過(guò)濾掉，最后信號送入到輸出放大器并傳輸。
數字通信接收機
接收機從本質(zhì)上說(shuō)是發(fā)射機的反向實(shí)現，但在設計上更為復雜。接收機首先把輸入的射頻信號下變頻為中頻信號，然后進(jìn)行解調。解調信號和恢復原始數據的能力通常難度較大。發(fā)射信號經(jīng)常被空氣噪聲、信號干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。
解調過(guò)程通常包括以下階段 : 載波頻率恢復 ( 載波鎖定 )、符號時(shí)鐘恢復( 符號鎖定 )、信號分解為 I 和 Q 分量 (I-Q 解調)、I 和 Q 符號檢測、比特解調和去交織 ( 解碼比特 )、解壓縮 ( 擴展至原始比特流 )，如果需要最后是數模轉換。
接收機與發(fā)射機的主要區別是需要恢復載波和符號時(shí)鐘。在接收機中，符號時(shí)鐘的頻率和相位 ( 或計時(shí) ) 都必須正確，才可以成功地解調比特和恢復已發(fā)射信息。例如，符號時(shí)鐘的頻率設置正確，但相位錯誤。就是說(shuō)如果符號時(shí)鐘與符號間的過(guò)度同步，而不是符號本身，解調將會(huì )失敗。
接收機設計的一項艱巨任務(wù)是建立載波和符號時(shí)鐘恢復算法。有些時(shí)鐘恢復技術(shù)包括測量調制幅度度變化、或者在帶有脈沖載波的系統中可以使用功率打開(kāi)事件。當發(fā)射機的信道編碼提供訓練序列或同步比特時(shí)，這項任務(wù)便可以簡(jiǎn)單些。
VSA 數字調制分析概念和工作原理
VSA 可被看作是基于軟件的測量接收機。它實(shí)際上是在數字調制解碼時(shí)采用與大多數數字無(wú)線(xiàn)接收機相似技術(shù)的 I-Q 接收機。不同的是，VSA 軟件專(zhuān)為高精度參數測量和調制特性顯示而設計。還有，VSA 是能夠測量和分析數字通信發(fā)射機與接收機系統幾乎所有方面的測量工具。
圖 7. 帶有射頻前端的 VSA 測量系統的簡(jiǎn)化方框圖。對于其它前端，VSA 軟件將執行所給前
端不支持的功能。
圖7 顯示了 Agilent 89600B VSA 的簡(jiǎn)化系統方框圖。你可能注意到系統方框中的許多部分與圖6 所示的數字通信接收機的類(lèi)似。通過(guò)幾個(gè)階段的超外差式混頻將射頻輸入信號下變頻為能被 ADC 精確數字化的中頻信號。有多種不同類(lèi)型的前端都可完成這個(gè)過(guò)程。有的比如信號分析儀提供射頻信號檢測和中頻數字化。其它的像示波器和邏輯分析儀則提供完全數字化的基帶信號。 VSA 所需的輸入是經(jīng)過(guò)數字化的時(shí)間采樣數據。隨后，對這個(gè)數字化信號進(jìn)行矢量 ( 正交 ) 檢測和數字過(guò)濾 ; 如果需要，將其最后一次下變頻為 I 和 Q 基帶信號格式 (I-Q 時(shí)間數據 ) 并存儲在 RAM 中。接著(zhù)就是使用 DSP 算法解調這個(gè)信號 ; 恢復載波和符號時(shí)鐘并應用建濾波和解碼 ( 恢復原始比特 )。幾乎任何一種調制格式都可被這個(gè) DSP 軟件解調。
VSA 的實(shí)現與無(wú)線(xiàn)接收機不同，VSA 處理采樣的信號是基于樣本塊 ; 而無(wú)線(xiàn)接收機是實(shí)時(shí)串行串行數據。當為 VSA 軟件提供無(wú)線(xiàn)接收機參數時(shí)，它可以通過(guò) DSP 的處理過(guò)程合成這個(gè)接收機。它能夠提供接收機的全部功能，甚至包括生成模擬波形。因為信號實(shí)際上是數字化的，它可被后期處理并在時(shí)域、頻域或調制域的任何域中查看。
VSA 數字解調
VSA 中數字解調過(guò)程的核心是數字解調。圖8 顯示了 Agilent 89600B 所使用的數字解調算法的簡(jiǎn)化方框圖。數字解調算法提供通用解調，僅需輸入信號很少的先驗信息即可執行解調，并適用于非常廣泛的調制格式。解調器提供載波鎖定、符號時(shí)鐘恢復和比特恢復 ( 對實(shí)際已編碼的 1 和 0 進(jìn)行解碼 )，并生成 I-Q 測量波形。解調器還能產(chǎn)生理想的 I-Q 波形，這些波形由真實(shí)的已恢復比特 ( 稱(chēng)為 I-Q 參考波形 ) 合成。I-Q 測量波形與參考波形的差可得到 I-Q 誤差波形。分析 I-Q 誤差波形可得出調制質(zhì)量數據結果，該結果可以通過(guò)各種
數據格式和顯示輸出進(jìn)行查看。
解調過(guò)程從配置 VSA 基于軟件的解調器開(kāi)始。解調算法必須根據特定的數字調制格式進(jìn)行配置，以恰當地解調和分析信號。大多數分析選件提供一組標準預設值，例如 GSM、W-CDMA、cdma2000 或 802.11a/b/g，可自動(dòng)配置解調器。在這些情況下，輸入中心頻率并選擇一個(gè)標準預置，軟件就可以解調信號。
靈活配制或用戶(hù)定義的解調
Agilent 89600B VSA 軟件通過(guò)一個(gè)通用的、用戶(hù)可定義的解調器提供更多額外功能。它允許針對非標準格式或故障診斷定制解調器配置。圖8 的解調方框圖顯示了內部解調過(guò)程 ( 矩形框內 ) 和用戶(hù)可設的配置參數 ( 橢圓或圓角矩形框內 )。橢圓框內的項目是用于定義測量所需的解調器的配置參數。圓角框內是用戶(hù)可調節的輸入參數。解調算法至少知道調制格式 (QPSK、FSK 等 )、符號速率、基帶濾波器類(lèi)型和濾波器 α/BT 等參數。這組參數通常通常足以滿(mǎn)足解調器鎖定信號以及很多格式的符號恢復的需要。其它格式，像定制的 OFDM 針對具體格式類(lèi)型則需要額外的信息。
圖 8. 數字方框圖
數字解調基帶濾波
前面提到，數字解調利用基帶濾波來(lái)限制帶寬和降低碼間干擾。還有，就像通信接收機一樣，數字解調基帶濾波必須配置的與被測系統匹配，以精確地解調信號。這同樣要求濾波器類(lèi)型 ( 如 Nyquist 或 Gaussian) 與濾波器帶寬系數 (α 或 BT) 匹配。
如圖9 所示， I-Q 測量波形和 I-Q 參考波形具備獨自的信號處理路徑和基帶濾波。I-Q 測量波形必須使用與被測系統的接收機濾波相匹配的基帶濾波。該濾波器稱(chēng)為測量濾波器或 Meas Filter。I-Q 參考波形必須使用與被測系統的總體 ( 發(fā)射機和接收機 ) 信道濾波相匹配的基帶濾波。該濾波器稱(chēng)為參考濾波器或 Ref Filter。參考濾波器能夠仿真總體信道濾波因為它用來(lái)合成可被“完美的”線(xiàn)性信道信道響應接收的理想的 I-Q 信號。解調器必須利用總體系統信道濾波才能精確地合成參考 I-Q 波形。
選擇恰當的濾波
在數字通信系統中，基帶濾波可能出現在發(fā)射機或接收機上 ; 或者分布在發(fā)射機和接收機之間，發(fā)射機中完成一半濾波，接收機中完成另外一半。這是個(gè)很重要的概念，會(huì )影響到解調器在處理 I-Q 測量波形和 I-Q 參考波形時(shí)所需的濾波器類(lèi)型。VSA 軟件的 Meas Filter 代表系統接收機的基帶濾波，而Ref Filter 代表整個(gè)系統的基帶濾波 ( 接收機和發(fā)射機整體的信道濾波 )。
圖 9. 可選的匹配濾波器用于代表發(fā)射機和接收機的濾波。
借助已檢測的比特，再結合對調制類(lèi)型和濾波的了解，可以確定理想信號。
選擇正確的解調基帶濾波可能并不像想象中的那么簡(jiǎn)單直接，尤其是對于分布式系統。例如，北美數字蜂窩 (NADC) 標準采用分布式濾波 ; 在發(fā)射機和接收機中都使用了根升余弦濾波器。參見(jiàn)圖 9。在 VSA 解調里，針對 I-Q 測量波形使用一個(gè)根升余弦濾波器 ( 與系統接收機濾波匹配，系統發(fā)射機含有一個(gè)類(lèi)似濾波器 )。對于 I-Q 參考波形，您可以使用一個(gè)升余弦濾波器 ( 與整體系統信道濾波匹配 )。這是因為平方根 ( 升余弦 ) 乘以平方根 ( 升余弦 ) 的結果就等于升余弦濾波器。
表1 顯示了一些常用的濾波器類(lèi)型以及測量和參考濾波器基于發(fā)射機濾波器類(lèi)型的選擇示例。
表 1. 常用的發(fā)射機濾波器類(lèi)型
可精確代表被測系統的另一個(gè)濾波器參數是濾波器帶寬系數，定意為濾波器 α 或 BT。每個(gè)濾波器類(lèi)型將會(huì )有一個(gè)對應的濾波器帶寬系數 ; Nyquist 濾波器使用 α，高斯濾波器使用 BT。解調器對測量濾波器和參考濾波器使用相同的 α 或 BT 值。
根據具體的應用需求，數字通信使用許多濾波器類(lèi)型，傳統上，使用Nyquist ( 升余弦 ) 濾波器是因為它能最小化 ISI 。如圖10 所示，Nyquist 濾波器脈沖響應的峰值幅度出現在符號時(shí)刻 t = 0 幅度時(shí)，而在所有其它符號時(shí)刻為零。也就是說(shuō)，該響應在符號周期的整數倍 (1 除以 ?s) 通過(guò)零點(diǎn)。這意味著(zhù) Nyquist 已過(guò)濾的符號不會(huì )干擾周?chē)姆?( 即符號間干擾為零 )。雖然Nyquist 濾波器可最大限度地減少 ISI，但對于有些應用 ISI 并不是最重要的標準。另外兩種常用的濾波器類(lèi)型是高斯濾波器和 Chebyshev 濾波器。高斯濾波器不具備最佳的 ISI 特性，但在平衡載波功率、占用帶寬和符號時(shí)鐘恢復方面具有優(yōu)勢。它通常使用在 GSM ( 全球移動(dòng)通信系統 ) 的無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統中。Chebyshev 濾波器具有陡降特性，能夠有效減少對相鄰信道的功率泄漏。
Chebyshev 濾波器通常應用在使用 CDMA ( 碼分多址 ) 調制方案的無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統中，例如 cdmaOne 和cdma2000。除了這里探討的類(lèi)型外，數字通信領(lǐng)域還采用許多其它類(lèi)型的濾波器。
圖 10. Nyquist 濾波器最大限度地降低符號間干擾 (ISI)。
Alpha
Alpha (α) 描述了 Nyquist ( 升余弦 ) 濾波器的滾降程度。參見(jiàn)圖 10。Alpha也稱(chēng)為滾降或多余帶寬因子。α 值較高，則會(huì )增加理論最小值之外的帶寬。調制原理指出，發(fā)射一個(gè)信號所需的最小帶寬等于符號率的一半。不過(guò)，要實(shí)現這個(gè)系統帶寬，需要一個(gè)完美的磚墻式 ( 矩形 ) 濾波器，也就是 α 等于 0，占用帶寬等于符號率。但磚墻式濾波器并不能實(shí)現，所以實(shí)際中的通信系統一般采用 α 等于 0.3 的濾波器。α 值為 0.3 意味著(zhù)濾波器將使用比理論最小值多 30% 的占用帶寬。這個(gè)值是頻譜效率和最小 ISI 的一個(gè)很好的折衷。對于給定 α 的占用帶寬近似等于采樣率乘以 (1 + α)。
BT — 帶寬時(shí)間產(chǎn)品
BT ( 帶寬時(shí)間產(chǎn)品 ) 是高斯濾波器對應的濾波器系數，描述了這個(gè)濾波器的滾降程度。高斯濾波器通常使用 0.3 ~ 0.5 的 BT 值。
解調分析
一旦用戶(hù)提供了輸入配置，解調器就利用它們并通過(guò) DSP 以塊狀格式接收來(lái)自 VSA 可用樣本存儲器的 I-Q 時(shí)間數據。VSA 軟件能夠接收來(lái)自外部硬件 ( 例如 Agilent X 系列信號分析儀或 Infiniium 系列示波器 ) 或記錄文件的I-Q 時(shí)間數據。解調器使用所提供的中心頻率和符號率鎖定載波，并且從調制載波上恢復符號時(shí)鐘。注意，解調器參考時(shí)鐘不需要與源時(shí)鐘鎖定。解調算法自動(dòng)提供載波和符號鎖定 ; 不必提供額外的源時(shí)鐘輸入。然后信號通過(guò)補償過(guò)程應用增益和相位校正。補償數據 ( 例如幅度幅度偏差和 I-Q 偏置誤差數據 ) 被存儲并可以在誤差匯總表中查看。隨后，應用數字基帶濾波以恢復基帶 I-Q 波形 (I-Q 測量時(shí)間數據 )。將已恢復的 I-Q 波形送入到符號檢測器，基于具體的調制格式來(lái)嘗試確定發(fā)射的符號。從符號塊中，解碼和恢復串行數據比特 (1 和 0)。參考產(chǎn)生器使用已檢測的符號再結合調制格式、符號率以及特定濾波，從而合成一組理想的 I-Q 參考基帶波形 (I-Q 參考時(shí)間數據 )。最終將測得的 I/Q 波形和參考 I-Q 波形進(jìn)行對比，得到一系列誤差特性 ( 與理想波形之間的偏差 )，例如相位誤差、幅度誤差和誤差矢量幅度(EVM)。
I-Q 測量和 I-Q 參考信號
通過(guò)對比測得的信號與理想的參考信號，可以分析 I-Q 調制信號的質(zhì)量。參見(jiàn)圖 9。解調過(guò)程會(huì )生成兩個(gè)波形 : I-Q 測量波形和 I-Q 參考波形。 I-Q 測量波形是針對輸入信號解調的基帶 I-Q 數據，也稱(chēng)為 IQ 測量時(shí)間。I-Q 參考波形是如果輸入信號是理想的 ( 沒(méi)有誤差 )，在解調該輸入信號后應該得到的基帶 I-Q 數據，也稱(chēng)為 IQ 參考時(shí)間。假設原始的數據序列可以被恢復， I-Q 參考波形從 I-Q 波形恢復的數據比特中采用數學(xué)方法導出。I-Q 參考波形的產(chǎn)生開(kāi)始于恢復已解調 I-Q 測量波形的實(shí)際符號比特，隨后重建理想的 I 和 Q 狀態(tài)序列。這些狀態(tài)再作為理想的脈沖，并根據參考信道濾波進(jìn)行基帶過(guò)濾，從而生成一個(gè)理想的 I-Q 參考波形。然后對比 I-Q 測量波形與 I-Q 參考波形，分析輸入信號的質(zhì)量。從已測波形中減去參考波形得到誤差矢量波形，或 I-Q 誤差波形。這種方法能夠揭示非常微小的信號變化，并能轉化為信號的質(zhì)量信息，這些信息是傳統調制質(zhì)量測量方法所不能提供的。
測量概念
現在已解釋了一些數字調制基礎和 VSA 的系統原理，下一步是了解關(guān)于數字調制分析測量結果與用于系統故障診斷的軌跡軌跡顯示。下面的例子顯示了 QPSK ( 正交相移鍵控 ) 的測量結果，調制信號的符號速率是 50 ksym/s， α 等于 0.35 的根升余弦基帶濾波器。正交表示載波信號在相差 90°的相位狀態(tài)之間轉換。信號以 90° 為增量在 45° 到 135°、-45° 或 -135° 變化。QPSK 有四個(gè)可用狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)分配一個(gè) 0 ~ 3 的二進(jìn)制值，這要求每個(gè)狀態(tài)有 2 個(gè)比特，也就是每符號兩個(gè)比特。只要兩個(gè) I 值和兩個(gè) Q 值就可生成四種狀態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足雙比特碼元的要求。
矢量 ( 或 IQ) 圖
矢量示意圖，通常更多地稱(chēng)為數字調制的 IQ 圖，顯示了時(shí)間上各個(gè)時(shí)刻所恢復的復雜 I-Q 基帶信號。它顯示了信號狀態(tài)以及信號在符號之間移動(dòng)時(shí)的跳變過(guò)程。從原點(diǎn)到矢量示意圖上某個(gè)點(diǎn)繪制的矢量線(xiàn)對應著(zhù)此刻的瞬時(shí)電壓。
圖 11a 顯示了前面提到的 QPSK 調制信號的 IQ 圖示例。IQ 圖顯示了 4 個(gè)理想的狀態(tài)位置 ( 以十字表示 )，分別是 45°、135°、-45° 和 -135°。還有已檢測的符號和符號間的跳變。IQ 圖給出了峰均電壓比，它可用于確定放大器的壓縮情況。
圖 11. QPSK 量圖和星座圖
矢量圖解釋
在 I-Q 平面上查看信號時(shí)，記住你是在觀(guān)察信號相對載波的幅度和相位。未調制的載波是相位參考 (0°)。圖11 中，每個(gè)檢測的符號都是相對未調制載波以不同的幅度和相位進(jìn)行調制，但頻率與載波一致。如果檢測到符號頻率與未調制載波的不同，它的表象是信號相對未調制載波連續增加或減小相位似的移動(dòng)。還有，數字調制屬于三維測量，根據 I ( 同相)/Q ( 正交)分量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行調制。而 IQ 圖僅是二維圖，所以與 I-Q 平面 ( 或 CRT屏幕 ) 垂直的時(shí)間參數無(wú)法顯示。
星座圖
圖 11b 顯示了與前面相同的 QPSK 信號的星座圖。星座圖顯示了與符號時(shí)鐘同步的載波幅度和相位。這些測量點(diǎn)通常就是檢測判斷點(diǎn)，代表已檢測的符號。它與 I-Q 圖類(lèi)似，只是不顯示狀態(tài)間的跳變軌跡軌跡。
理想狀態(tài)下，所有符號都應顯示為單點(diǎn)，并集中在理想狀態(tài)位置處 ( 以十字坐標顯示 )。理想狀態(tài)是指信號沒(méi)有誤差時(shí)的符號位置。不過(guò)由于信號的損傷及其它調制誤差會(huì )造成偏差，符號會(huì )分散在理想狀態(tài)位置的周?chē)?br>89600B VSA 允許你在理想狀態(tài)周?chē)胖靡粋€(gè)定義好的誤差限制圈。顯示的實(shí)際已檢測符號與理想狀態(tài)可以幫助您直觀(guān)地了解信號質(zhì)量。星座圖有助于識別幅度不平衡、正交誤差或相位噪聲等信號損傷。
誤差矢量幅度 (EVM)
在數字通信系統中應用最為廣泛的調制質(zhì)量指標是誤差矢量幅度(EVM)。誤差矢量是指在給定時(shí)間的理想參考信號和所測信號之間的矢量差。參見(jiàn)圖 12。誤差矢量是一個(gè)復參量，包含幅度和相位分量。不要將誤差矢
量幅度與幅度誤差、誤差矢量相位與相位誤差相混淆。
圖 12. 誤差矢量幅度 (EVM); 實(shí)際測得的信號與理想參考信號的差異
EVM 定義為在符號時(shí)鐘跳變時(shí)刻誤差矢量的均方根 (rms)。按照慣例EVM 通常歸一化為最外面符號的幅度或符號平均功率的平方根。EVM 測量在有些通信標準中也稱(chēng)為相對星座誤差 (RCE)，各種相關(guān)數據結果對于任意
數字調制格式中影響信號的幅度和相位軌軌跡路的損傷都十分敏感。因此，EVM 是一種分析診斷通信系統基帶、中頻或射頻部分中的故障的理想測量工具。
圖13 是圖12 中定義的調制質(zhì)量測量的示例。誤差矢量時(shí)間數據 ( 軌跡A) 是根據 I-Q 測量信號和 I-Q 參考信號上相應符號點(diǎn)計算出的誤差矢量幅度。誤差矢量頻譜數據 ( 軌跡 B) 顯示了誤差矢量時(shí)間數據的頻譜。也就是說(shuō)，誤差矢量時(shí)間數據被加窗并FFT 以生成誤差矢量頻譜軌跡。這種格式能夠揭示使得制載波偏離理想路徑的多余信號的頻譜成分。如果這些誤差成分是確定的，它們會(huì )以頻譜軌跡的形式顯示在誤差矢量頻譜上。測量這些頻譜，可以更深入地了解這些誤差信號的本質(zhì)與來(lái)源。頻率峰值通常會(huì )對應方框圖中某處的一個(gè)信號。I-Q 幅度誤差 ( 軌跡 C) 和 I-Q 相位誤差 ( 顯示 D) 顯示了 I-Q 測量信號和 I-Q 參考信號間的誤差。I-Q 幅度誤差顯示幅度誤差，I-Q相位誤差顯示相位誤差。
圖 13. 軌跡 A ( 誤差矢量時(shí)間 ) 顯示了符號點(diǎn)處的誤差矢量幅度。軌跡 B ( 誤差矢量頻譜 ) 顯示
了誤差矢量時(shí)間數據的頻譜。軌跡 C (IQ 幅度誤差 ) 是測量 IQ 波形和 IQ 參考波形的幅度差。
軌跡 D (IQ 相位誤差 ) 是測量 IQ 波形和 IQ 參考波形的相位差。
符號表 / 誤差匯總
符號表 / 誤差匯總測量結果可能是數字解調最強大的工具了。你可以看到解調比特，以及所有解調符號的誤差統計。例如，查看 rms EVM 值可以幫助你快速評估調制精度。還有其它很多有價(jià)值的誤差報告。圖14 顯示了前面使用的 QPSK 信號的符號表 / 誤差匯總數據。標記讀數顯示的是符號表中突出顯示的比特對應的值，代表符號 3，數值為 2 (“10”的二進(jìn)制值 )?？梢钥闯鲞@個(gè)值與 QPSK 調制所需的雙比特碼元一致。誤差表顯示了適用于 QPSK 調制信號的統計數據與誤差數據。其它誤差值為其它格式所用。我們已經(jīng)討論了一些基本的調制測量，但還有很多定性顯示和定量測量并未涉及。
圖 14. 符號表 / 誤差匯總數據提供解調比特及所有已解調信息的誤差統計。
模擬調制分析
矢量調制分析可以提供的另一種重要的測量工具是模擬調制分析。模擬調制產(chǎn)生 AM、FM 和 PM 解調結果，類(lèi)似于調制分析的輸出，允許你查看幅度、頻率和相位特性對時(shí)間的關(guān)系。這些模擬調制分析能力增強了 VSA 已有的數字調制分析功能，提供完整的分析數字通信系統的測量解決方案。例如，可使用模擬調制能力分析像 FSK ( 頻移鍵控 ) 這樣的有意調制 ; 像相位噪聲或AM-PM 轉換這樣的無(wú)意調制 ; 或者像頻率或相位穩定或脈沖成形過(guò)程這種單脈沖信號參數。
解調信號的過(guò)程看上去挺復雜，但矢量調制和 I-Q 調制過(guò)程的基礎特性使得解調變得簡(jiǎn)單。前面提到的矢量或 IQ 圖 ( 圖2 和 11) 顯示了調制載波相對未調制載波的瞬時(shí)幅度和相位，這有助于顯示數字調制特性。不過(guò)它還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)查看模擬調制信號特性，例如圖15 所示的 AM、PM 和 FM 調制。未調制連續波 (CW) 信號簡(jiǎn)單地顯示為一個(gè)幅度與相位恒定的固定點(diǎn)。AM 信號的軌跡經(jīng)過(guò)原點(diǎn)沿著(zhù)固定線(xiàn)路，只有信號幅度發(fā)生改變。FM 信號的軌跡是以原點(diǎn)為中心的圓圈，瞬時(shí)頻率偏差由相位變化率給出。PM 與 FM 的軌跡類(lèi)似，當然，相位的相對變化是關(guān)鍵參數。在矢量調制中，幅度和相位可同時(shí)改變，矢量軌跡會(huì )在幅度和相位上都發(fā)生變化。
圖 15. I-Q 示意圖中 I-Q 平面上的模擬調制特性。
傳統上，為了查看載波調制波形 ( 調制包絡(luò ) )，應當通過(guò)檢波移除載波并將結果波形顯示在幅度對時(shí)間的示波器上。不過(guò)，取代在載波上檢測調制的思想，在矢量調制中，我們將載波“搬移”或“下變頻”到 0 Hz 之后再在剩下的部分里查看調制。頻移的直觀(guān)圖將顯示利用基本三角恒等式載波上幅度和相位變化是如何被“檢測”的。
圖 16. 調制通過(guò)搬移載波頻率 (fc) 至 0 Hz 測量。當數字 LO 頻率等于調制載波頻率時(shí)，正交檢
波器的輸出 — I(t) 和 Q(t) 時(shí)域波形 — 就是載波上的調制。
如圖16 所示，復調制載波信號以 (V(t) = A(t)Cos[2πfct + ?(t)]) 表示，頻率fc 是用于頻率轉換的正交混頻器 ( 或正交檢測器) 的輸入。為恢復基帶調制信號，首先通過(guò)設置 LO 頻率為 fc 將載波下變頻至基帶 (0 Hz)。隨后基帶信號經(jīng)過(guò)低通濾波，只留下差頻。這個(gè)過(guò)程生成實(shí)部 I(t) 和虛部 Q(t) 時(shí)域波形，表示
已調制載波信號與未調制 LO 信號的幅度和相位差，以載波為參考。這是載波調制以 I(t) 和 Q(t) 分量 ( 直角坐標 ) 表示的形式，而不是幅度 A(t) 和相位 ?(t)。前面提到 I-Q 解調執行極坐標—直角坐標的轉換。不過(guò)，通過(guò)對 I(t) 和 Q(t) 分量應用一些運算和簡(jiǎn)單的三角恒等式，我們也能夠獲得瞬時(shí)幅度 A(t) 或相位
(t) 這些載波上的變化。這就是 AM 和 PM 調制。
幅度調制 AM 是載波幅度 A(t) 隨時(shí)間的變化，由 I(t) 和 Q(t) 的平方和開(kāi)平方根得出。
AM = A(t) = sqrt[I2(t) + Q2(t)]
相位調制 PM 是相位 ?(t) 隨時(shí)間的變化，等于 [Q(t)/I(t)] 的反正切。頻率調制 FM 是相移對時(shí)間 d?/dt 的導數。即，FM 是 PM 的導數:
PM = ?(t) = arctan[Q(t)/I(t)]
FM = PM 的導數 = (d?/dt)
從 I(t) 和 Q(t) 開(kāi)始，通過(guò)應用基本三角恒等式，我們完成了載波的第一階解調，能夠查看 AM、PM 和 FM 調制。實(shí)際中，VSA 軟件使用精密的解調算法再結合頻率和相位誤差校準程序，可以精確地將有意和無(wú)意調制從載波上分離出來(lái)。模擬解調可使 PM、FM 與 AM 完全分離。同樣地，AM 也可與 PM、FM 完全分離。
總結
本文介紹了運用在基于軟件的矢量信號分析中的矢量 / 數字調制技術(shù)和數字調制分析的基本原理。描述了數字 ( 矢量或 I-Q) 調制和常見(jiàn)數字調制格式。VSA 架構類(lèi)似于數字通信系統，因此我們也描述了無(wú)線(xiàn)接收機和發(fā)射機的方框圖，介紹了生成、發(fā)射、接收以及恢復原始數字信息的過(guò)程。隨后，我們著(zhù)眼于 VSA 數字解調方框圖并描述了每個(gè)功能及正確解調信號并進(jìn)行測量的相關(guān)解調參數。帶有矢量調制分析功能的 VSA 提供強大的專(zhuān)業(yè)測量能力，允許你貫穿整個(gè)數字系統 ( 系統使用 I 和 Q 信號 ) 的方框圖進(jìn)行表征和故障診斷。通過(guò)借鑒本章節內容，針對你的通信系統，你將更加明確地選擇所需的測量?jì)x器和必備工具?，F在，VSA 既可作為嵌入式專(zhuān)用軟件運行在信號分析儀，示波器和邏輯分析儀上，也可作為獨立軟件與多種測量前端和仿真軟件兼容。
參考文獻
[1]安捷倫.安捷倫矢量信號分析基礎[G/DK].北京：安捷倫科技（中國）有限公司.2012.
