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    常見問題

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    矢量調制分析基礎

    文章出處:http://www.gbsask.com 作者:濟南金力通電子設備有限公司人氣: 發表時間:2022-01-21 17:58

    技術牛人詳解:矢量調制分析基礎(經典收藏版) 

    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使用另外的數字無線專用軟件來提供數字調制分析。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部和虛部分量的復信號。

    矢量調制分析提供一個重要的測量工具就是模擬調制分析。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生AM、FM 和PM 解調結果,允許你查看幅度、頻率和相位隨時間變化的曲線圖。這些額外的模擬解調能力可以用來對數字通信發射機中的特殊問題進行故障診斷。例如,相位解調經常用于在特殊LO 頻率上不穩定性問題的故障分析。

    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量測量。使用于VSA 的技術( 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量信息。而這些是傳統的調制質量測量方法無法提供的。各種顯示格式和能力用來查看基帶信號特性并分析調制質量。VSA 提供傳統的顯示格式,例如I-Q 矢量圖、星座圖、眼圖和網格圖。符號/ 誤差匯總表顯示了實際恢復的比特和有價值的誤差數據,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/ 相位誤差對時間、幅度/ 相位誤差對頻率或均衡,允許你進行頻率響應測量和群時延測量,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),可以貫穿整個數字通信系統方框圖,對基帶、IF 和射頻位置進行測量。不需要外部濾波、相關載波信號或符號時鐘計時信號。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術語含有硬件的意思,但是基于軟件的VSA ,實際上是基于DSP 的軟件在執行調制/ 解調的。數字調制是無線、衛星和地面通信行業中使用的一個術語,指數字狀態由載波相對相位和/ 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。參見圖1。在數字調制中,基帶調制信號是數字式的,而調制過程不是數字的。

    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,數字調制可以同時或單獨改變幅度、頻率和相位。這類調制可以通過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) 來完成。不過在實際系統中,通常使用矢量調制( 又稱為復數調制或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一步了解I 和Q 分量,以及數字系統使用它們的原因。

    2. 數字調制I-Q 圖

    理解和查看數字調制的簡單方法是使用圖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系來解釋調制信號。相位和幅度可以作為I-Q 平面中的虛線點在極坐標圖或矢量坐標圖中表示。參見圖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,來表示這個點。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位置上,然后發射已編碼信息。每個位置或狀態( 或某些系統中狀態間的轉換) 代表某一個可在接收機上被解碼的比特碼型。狀態或符號在每個符號選擇計時瞬間( 接收機轉換信號時) 在I-Q 平面的映射稱為星座圖。參見圖3。一個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。每個符號號包含的比特數即每符號號比特數(bpsym) 由調制格式決定。例如,二進制相移鍵控(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,星座圖的每個狀態位置都應當顯示為單個的點。但由于系統會受到了各種損傷和噪聲的影響,會引起這些狀態發生擴散( 每個狀態周圍有分散的點呈現)。圖3 顯示了16 QAM 格式(16 正交幅度度調制) 的星座圖或狀態圖; 注意,此時有16 個可能的狀態位置。該格式使用4 比特數據串,編碼為單個幅度度/ 相位狀態或符號號。為了產生這一調制格式,基于被傳輸的代碼,I 和Q 載波都需采用4 個不同的幅度度電平。

    3. 星座圖中的每個位置或狀態代表一個具體的比特碼型( 符號號) 和符號號時間

    在數字調制中,信號在有限數量的符號或狀態中移動。載波在星座圖各點間移動的速率稱為符號率。使用的星座狀態越多,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,前面提到過的16 QAM 格式使用每符號號4 比特的速率。如果無線傳輸速率為16 Mbps,則符號率= 16 (Mbps) 除以4 比特即4 MHz。此時提供的符號號率是比特率的四分之一和一個更高效的傳輸帶寬(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現。

    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,這個可能是數字( 軟件) LO。下面,I 和Q 均會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 調制的主要優勢是可以容易地將獨立的信號分量合并為單個復合信號,隨后同樣容易地再將這個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系。I 和Q 信號的正交關系意味著這兩個信號是真正獨立的,它們是同一信號的兩個獨立分量。雖然Q 輸入的變化肯定會改變復合輸出信號,但不會對I 分量造成任何影響。同樣地,I 輸入的變化也不會影響到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。

    5. I-Q 解調( 或正交檢測)

    解調過程的第一步是將接收機LO 鎖相至發射機載頻。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,使用數學方法實現90° 相移。

    從根本上講,I-Q 解調過程就是極坐標—直角坐標的轉換。通常如果沒有極坐標—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。參見圖2。這種轉換與I-Q 解調器所執行的同相和正交混合過程完全一致。

    為什么使用I 和Q ?

    數字調制使用I 和Q 分量,因為它可提供簡單有效、功能強大的調制方法來生成、發射與恢復數字數據。I-Q 域中的調制信號具有很多優勢:

    1. I-Q 的實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 調制器不使用非線性,難實現的相位調制,而是簡單的對載波幅度度及其正交量進行線性調制。具有寬調制帶寬和良好線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,只需產生信號的基帶I 和Q 分量。I-Q 調制的一個關鍵優勢是調制算法可以生成從數字制式到射頻脈沖甚至線性調頻雷達等各種調制。

    2. 信號的解調也同樣簡單明了。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 平面上觀查信號經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

    6 是一個通用的使用I-Q 調制的數字射頻通信系統的基本架構的的簡化方框圖,通過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 只需要利用時間采樣數據。

    6. 數字射頻通信系統的簡化方框圖。注意,ADC 和DAC 可能在不同的方框中出現。

    數字通信發射機

    通信發射機開始于語音編碼( 假設進行語音傳輸),即對模擬信號進行量化并轉化為數字數據( 數字化) 的過程。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技術,通過最小化噪聲與干擾的影響來改進信號完整性。額外的比特經常被用來進行誤差校準或者作為識別和均衡的訓練序列。這些技術還使與接收機的同步( 找尋符號時鐘) 更簡單。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信號映射到I-Q 平面上符號。符號時鐘代表各個符號傳輸的頻率和精確計時。當符號時鐘跳變時,發射載波在正確的I-Q ( 或幅度/ 相位) 值上代表具體的符號( 星座圖的特定點)。各個符號的時間間隔即為符號時鐘周期,其倒數是符號時鐘頻率。當符號時鐘與檢測符號的最佳瞬時同步時,符號時鐘相位是正確的符號。

    一旦I 和Q 基帶信號生成后,它們會被過濾( 帶限) 以提高頻譜效率。未經過濾的無線數字調制器的輸出會占用非常寬的帶寬( 理論上是無限寬)。這是因為調制器被基帶I-Q 方波的快速跳變所驅動; 時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減少其他用戶的可用頻譜并造成對鄰近用戶的信號干擾,稱之為鄰信道功率干擾。基帶濾波通過限制頻譜以及限制對其它信道的干擾解決了這一問題。實際上,濾波減緩了狀態之間的快速轉換,從而限制了頻譜。不過濾波也不是沒有缺點; 它會導致信號和數據傳輸性能的下降。

    信號質量的下降是由于頻譜分量的減少、過沖以及濾波器時間( 脈沖) 響應引起的有限振鈴效應。頻譜分量減少了就會使信息丟失,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型的濾波器稱為Nyquist 濾波器。Nyquist 濾波器是一個理想的濾波器選擇,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,你將會進一步了解這種濾波器。為了改進系統的整體性能,濾波器一般會在發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射機和接收機并正確實現。圖6 僅顯示了一個基帶濾波器。但在實際中會用到兩個,I 和Q 信道各有一個。

    已過濾的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線射頻(RF) 上。調制器的輸出是中頻( 或射頻)上的兩個正交I 和Q 信號的合成。調制后,如果需要,信號會上變頻到射頻。再將任何多余的頻率過濾掉,最后信號送入到輸出放大器并傳輸。

    數字通信接收機

    接收機從本質上說是發射機的反向實現,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,然后進行解調。解調信號和恢復原始數據的能力通常難度較大。發射信號經常被空氣噪聲、信號干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。

    解調過程通常包括以下階段: 載波頻率恢復( 載波鎖定)、符號時鐘恢復( 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。

    接收機與發射機的主要區別是需要恢復載波和符號時鐘。在接收機中,符號時鐘的頻率和相位( 或計時) 都必須正確,才可以成功地解調比特和恢復已發射信息。例如,符號時鐘的頻率設置正確,但相位錯誤。就是說如果符號時鐘與符號間的過度同步,而不是符號本身,解調將會失敗。

    接收機設計的一項艱巨任務是建立載波和符號時鐘恢復算法。有些時鐘恢復技術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事件。當發射機的信道編碼提供訓練序列或同步比特時,這項任務便可以簡單些。

    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。它實際上是在數字調制解碼時采用與大多數數字無線接收機相似技術的I-Q 接收機。不同的是,VSA 軟件專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射機與接收機系統幾乎所有方面的測量工具。

    7. 帶有射頻前端的VSA 測量系統的簡化方框圖。對于其它前端,VSA 軟件將執行所給前端不支持的功能。

    7 顯示了89600B VSA 的簡化系統方框圖。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似。通過幾個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。有多種不同類型的前端都可完成這個過程。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 所需的輸入是經過數字化的時間采樣數據。隨后,對這個數字化信號進行矢量( 正交) 檢測和數字過濾; 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 時間數據) 并存儲在RAM 中。接著就是使用DSP 算法解調這個信號; 恢復載波和符號時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DSP 軟件解調。

    VSA 的實現與無線接收機不同,VSA 處理采樣的信號是基于樣本塊; 而無線接收機是實時串行串行數據。當為VSA 軟件提供無線接收機參數時,它可以通過DSP 的處理過程合成這個接收機。它能夠提供接收機的全部功能,甚至包括生成模擬波形。因為信號實際上是數字化的,它可被后期處理并在時域、頻域或調制域的任何域中查看。

    VSA 數字解調

    VSA 中數字解調過程的核心是數字解調。圖8 顯示了89600B 所使用的數字解調算法的簡化方框圖。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、符號時鐘恢復和比特恢復( 對實際已編碼的1 和0 進行解碼),并生成I-Q 測量波形。解調器還能產生理想的I-Q 波形,這些波形由真實的已恢復比特( 稱為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量數據結果,該結果可以通過各種數據格式和顯示輸出進行查看。

    解調過程從配置VSA 基于軟件的解調器開始。解調算法必須根據特定的數字調制格式進行配置,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,可自動配置解調器。在這些情況下,輸入中心頻率并選擇一個標準預置,軟件就可以解調信號。

    靈活配制或用戶定義的解調

    89600B VSA 軟件通過一個通用的、用戶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程( 矩形框內) 和用戶可設的配置參數( 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、基帶濾波器類型和濾波器 α/BT 等參數。這組參數通常通常足以滿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 針對具體格式類型則需要額外的信息。

    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( 發射機和接收機) 信道濾波相匹配的基帶濾波。該濾波器稱為參考濾波器或Ref Filter。參考濾波器能夠仿真總體信道濾波因為它用來合成可被“完美的”線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射機或接收機上; 或者分布在發射機和接收機之間,發射機中完成一半濾波,接收機中完成另外一半。這是個很重要的概念,會影響到解調器在處理I-Q 測量波形和I-Q 參考波形時所需的濾波器類型。VSA 軟件的Meas Filter 代表系統接收機的基帶濾波,而Ref Filter 代表整個系統的基帶濾波( 接收機和發射機整體的信道濾波)。

    9. 可選的匹配濾波器用于代表發射機和接收機的濾波。

    借助已檢測的比特,再結合對調制類型和濾波的了解,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; 在發射機和接收機中都使用了根升余弦濾波器。參見圖9。在VSA 解調里,針對I-Q 測量波形使用一個根升余弦濾波器( 與系統接收機濾波匹配,系統發射機含有一個類似濾波器)。對于I-Q 參考波形,您可以使用一個升余弦濾波器( 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。

    1 顯示了一些常用的濾波器類型以及測量和參考濾波器基于發射機濾波器類型的選擇示例。

    1. 常用的發射機濾波器類型

    濾波器 α 和BT 帶寬時間產品

    可精確代表被測系統的另一個濾波器參數是濾波器帶寬系數,定意為濾波器 α 或BT。每個濾波器類型將會有一個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刻t = 0 幅度時,而在所有其它符號時刻為零。也就是說,該響應在符號周期的整數倍(1 除以 fs) 通過零點。這意味著Nyquist 已過濾的符號不會干擾周圍的符號( 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、占用帶寬和符號時鐘恢復方面具有優勢。它通常使用在GSM ( 全球移動通信系統) 的無線電話系統中。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) 調制方案的無線電話系統中,例如cdmaOne 和cdma2000。除了這里探討的類型外,數字通信領域還采用許多其它類型的濾波器。

    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。參見圖10。Alpha也稱為滾降或多余帶寬因子。α 值較高,則會增加理論最小值之外的帶寬。調制原理指出,發射一個信號所需的最小帶寬等于符號率的一半。不過,要實現這個系統帶寬,需要一個完美的磚墻式( 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現,所以實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 意味著濾波器將使用比理論最小值多30% 的占用帶寬。這個值是頻譜效率和最小ISI 的一個很好的折衷。對于給定 α 的占用帶寬近似等于采樣率乘以(1 + α)。

    BT — 帶寬時間產品

    BT ( 帶寬時間產品) 是高斯濾波器對應的濾波器系數,描述了這個濾波器的滾降程度。高斯濾波器通常使用0.3 ~ 0.5 的BT 值。

    解調分析

    一旦用戶提供了輸入配置,解調器就利用它們并通過DSP 以塊狀格式接收來自VSA 可用樣本存儲器的I-Q 時間數據。VSA 軟件能夠接收來自外部硬件( 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鐘。注意,解調器參考時鐘不需要與源時鐘鎖定。解調算法自動提供載波和符號鎖定; 不必提供額外的源時鐘輸入。然后信號通過補償過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嘗試確定發射的符號。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 參考時間數據)。最終將測得的I/Q 波形和參考I-Q 波形進行對比,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 調制信號的質量。參見圖9。解調過程會生成兩個波形: 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,也稱為IQ 測量時間。I-Q 參考波形是如果輸入信號是理想的( 沒有誤差),在解調該輸入信號后應該得到的基帶I-Q 數據,也稱為IQ 參考時間。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方法導出。I-Q 參考波形的產生開始于恢復已解調I-Q 測量波形的實際符號比特,隨后重建理想的I 和Q 狀態序列。這些狀態再作為理想的脈沖,并根據參考信道濾波進行基帶過濾,從而生成一個理想的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量信息,這些信息是傳統調制質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°的相位狀態之間轉換。信號以90° 為增量在45° 到135°、-45° 或-135° 變化。QPSK 有四個可用狀態。每個狀態分配一個0 ~ 3 的二進制值,這要求每個狀態有2 個比特,也就是每符號兩個比特。只要兩個I 值和兩個Q 值就可生成四種狀態,同時滿足雙比特碼元的要求。

    矢量 ( 或IQ) 圖

    矢量示意圖,通常更多地稱為數字調制的IQ 圖,顯示了時間上各個時刻所恢復的復雜I-Q 基帶信號。它顯示了信號狀態以及信號在符號之間移動時的跳變過程。從原點到矢量示意圖上某個點繪制的矢量線對應著此刻的瞬時電壓。

    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 個理想的狀態位置( 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。

    11. QPSK 量圖和星座圖

    矢量圖解釋

    I-Q 平面上查看信號時,記住你是在觀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,每個檢測的符號都是相對未調制載波以不同的幅度和相位進行調制,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。還有,數字調制屬于三維測量,根據I ( 同相)/Q ( 正交)分量與時間的關系進行調制。而IQ 圖僅是二維圖,所以與I-Q 平面( 或CRT屏幕) 垂直的時間參數無法顯示。

    星座圖

    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鐘同步的載波幅度和相位。這些測量點通常就是檢測判斷點,代表已檢測的符號。它與I-Q 圖類似,只是不顯示狀態間的跳變軌跡軌跡。

    理想狀態下,所有符號都應顯示為單點,并集中在理想狀態位置處( 以十字坐標顯示)。理想狀態是指信號沒有誤差時的符號位置。不過由于信號的損傷及其它調制誤差會造成偏差,符號會分散在理想狀態位置的周圍。

    89600B VSA 允許你在理想狀態周圍放置一個定義好的誤差限制圈。顯示的實際已檢測符號與理想狀態可以幫助您直觀地了解信號質量。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量指標是誤差矢量幅度(EVM)。誤差矢量是指在給定時間的理想參考信號和所測信號之間的矢量差。參見圖12。誤差矢量是一個復參量,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。

    12. 誤差矢量幅度(EVM); 實際測得的信號與理想參考信號的差異

    EVM 定義為在符號時鐘跳變時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為相對星座誤差(RCE),各種相關數據結果對于任意

    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。

    13 是圖12 中定義的調制質量測量的示例。誤差矢量時間數據( 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) 顯示了誤差矢量時間數據的頻譜。也就是說,誤差矢量時間數據被加窗并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與來源。頻率峰值通常會對應方框圖中某處的一個信號。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。

    13. 軌跡A ( 誤差矢量時間) 顯示了符號點處的誤差矢量幅度。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”的二進制值)。可以看出這個值與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。

    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。模擬調制產生AM、FM 和PM 解調結果,類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間的關系。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 轉換這樣的無意調制; 或者像頻率或相位穩定或脈沖成形過程這種單脈沖信號參數。

    解調信號的過程看上去挺復雜,但矢量調制和I-Q 調制過程的基礎特性使得解調變得簡單。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幅度和相位,這有助于顯示數字調制特性。不過它還提供了一個簡單的方法來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) 信號簡單地顯示為一個幅度與相位恒定的固定點。AM 信號的軌跡經過原點沿著固定線路,只有信號幅度發生改變。FM 信號的軌跡是以原點為中心的圓圈,瞬時頻率偏差由相位變化率給出。PM 與FM 的軌跡類似,當然,相位的相對變化是關鍵參數。在矢量調制中,幅度和相位可同時改變,矢量軌跡會在幅度和相位上都發生變化。

    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),應當通過檢波移除載波并將結果波形顯示在幅度對時間的示波器上。不過,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。

    16. 調制通過搬移載波頻率(fc) 至0 Hz 測量。當數字LO 頻率等于調制載波頻率時,正交檢波器的輸出 —I(t) 和Q(t) 時域波形 — 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 + Ø(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)。隨后基帶信號經過低通濾波,只留下差頻。這個過程生成實部I(t) 和虛部Q(t) 時域波形,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Ø(t)。前面提到I-Q 解調執行極坐標—直角坐標的轉換。不過,通過對I(t) 和Q(t) 分量應用一些運算和簡單的三角恒等式,我們也能夠獲得瞬時幅度A(t) 或相位Ø(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) 隨時間的變化,由I(t) 和Q(t) 的平方和開平方根得出。

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

    相位調制PM 是相位Ø(t) 隨時間的變化,等于[Q(t)/I(t)] 的反正切。頻率調制FM 是相移對時間dØ/dt 的導數。即,FM 是PM 的導數:

    PM = Ø(t) = arctan[Q(t)/I(t)]

    FM = PM 的導數= (dØ/dt)

    I(t) 和Q(t) 開始,通過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意調制從載波上分離出來。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) 調制和常見數字調制格式。VSA 架構類似于數字通信系統,因此我們也描述了無線接收機和發射機的方框圖,介紹了生成、發射、接收以及恢復原始數字信息的過程。隨后,我們著眼于VSA 數字解調方框圖并描述了每個功能及正確解調信號并進行測量的相關解調參數。帶有矢量調制分析功能的VSA 提供強大的專業測量能力,允許你貫穿整個數字系統( 系統使用I 和Q 信號) 的方框圖進行表征和故障診斷。通過借鑒本章節內容,針對你的通信系統,你將更加明確地選擇所需的測量儀器和必備工具。現在,VSA 既可作為嵌入式專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。

     

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