如何用示波器進(jìn)行射頻、微波信號(hào)的解調(diào)分析

現(xiàn)代的衛(wèi)星通信、5G移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的通信帶寬都非常寬，可能超過(guò)500MHz甚至達(dá)到2GHz左右。對(duì)于這么寬帶的信號(hào)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)頻譜儀雖然可以看到信號(hào)頻譜，但受限于實(shí)時(shí)分析帶寬，已經(jīng)很難再對(duì)信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行有效的解調(diào)分析，這時(shí)就可以使用寬帶示波器配合矢量解調(diào)軟件來(lái)做信號(hào)解調(diào)分析。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析，在后面的章節(jié)中我們以一個(gè)載波頻率為5.2GHz，數(shù)據(jù)速率為50MBaud的QPSK調(diào)制信號(hào)為例，來(lái)介紹如何用示波器進(jìn)行射頻、微波信號(hào)的解調(diào)分析。

首先，我們?cè)谑静ㄆ魃峡梢灾苯佑^察被測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形，信號(hào)的包絡(luò)形狀與發(fā)射端成型濾波器的類(lèi)型和滾降因子有關(guān)，有經(jīng)驗(yàn)的工程師通過(guò)信號(hào)的包絡(luò)形狀可以大概估算出信號(hào)的功率、調(diào)制速率以及調(diào)制方式，但除此以外，對(duì)于信號(hào)調(diào)制質(zhì)量的好壞則很難進(jìn)行定量的評(píng)估。

為了對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的解調(diào)和調(diào)制質(zhì)量分析，我們可以借助于相應(yīng)的VSA（VectorSignal Analyzer： 矢量信號(hào)分析）軟件。這個(gè)軟件可以安裝在示波器上，也可以安裝在一臺(tái)外部PC上并通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)或USB線(xiàn)對(duì)示波器進(jìn)行控制。在和示波器的地址設(shè)置連接完成后，VSA軟件可以把示波器控制起來(lái)，并把示波器采集到的波形數(shù)據(jù)送到軟件里進(jìn)行重采樣和信號(hào)分析，其主要的工作原理如下圖所示?？梢钥吹?，VSA軟件主要是借助于高帶寬示波器把射頻甚至微波頻段的信號(hào)直接采樣下來(lái)，并按照和信號(hào)調(diào)制完全相反的流程對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后從時(shí)域（解調(diào)后的時(shí)域波形）、頻域（信號(hào)頻譜）、碼域（解調(diào)后的數(shù)據(jù)）、調(diào)制域（調(diào)制質(zhì)量）等各個(gè)角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

一般情況下，通過(guò)設(shè)置中心頻點(diǎn)、掃頻帶寬、參考功率電平等可以大概看到信號(hào)的頻譜以及重采樣后的時(shí)域波形。通過(guò)這步設(shè)置也可以確認(rèn)在要分析的頻段內(nèi)是否有足夠強(qiáng)的信號(hào)成分存在，比如在下圖中我們把頻譜的中心頻點(diǎn)設(shè)置為5.2GHz，Span設(shè)置為100MHz，參考電平設(shè)置為0dbm后，可以看到頻譜中間有明顯隆起，整個(gè)占用帶寬在60~70MHz左右，因此可以確認(rèn)頻點(diǎn)等信息設(shè)置正確，而且信號(hào)已經(jīng)正常發(fā)出。

在圖中，頻譜跨度Span=100MHz，分辨率帶寬ResBW=1MHz，采樣的時(shí)間長(zhǎng)度為3.8us左右。為了更好觀察頻譜的細(xì)節(jié)，通常我們會(huì)對(duì)分辨率帶寬ResBW進(jìn)行調(diào)整，或者需要采集更長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行信號(hào)分析。我們可以通增加參與頻譜分析的點(diǎn)數(shù)，來(lái)減小能夠設(shè)置的最小分辨率帶寬ResBW。而由于時(shí)域的采集長(zhǎng)度又和ResBW成反比關(guān)系，所以通過(guò)調(diào)整頻譜點(diǎn)數(shù)及ResBW的設(shè)置就可以間接控制時(shí)間采集的長(zhǎng)度。在調(diào)整過(guò)程中，需要注意的是，當(dāng)FFT過(guò)程中采用不同的加窗類(lèi)型時(shí)，由于窗口系數(shù)不同，相同的ResBW下對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間長(zhǎng)度可能是不一樣的。采樣時(shí)間長(zhǎng)度和窗口類(lèi)型、ResBW、頻譜點(diǎn)數(shù)間的關(guān)系如下圖所示。

下圖是增加頻譜分析點(diǎn)數(shù)，并減小分辨率帶寬后看到頻譜和時(shí)域波形。可以看到，由于分辨率帶寬ResBW減小到30kHz，所以頻譜的分辨率和細(xì)節(jié)更加清楚，同時(shí)采樣到的時(shí)域波形的長(zhǎng)度也更長(zhǎng)。

如果信號(hào)的頻譜和時(shí)域波形都沒(méi)有問(wèn)題，就可以打開(kāi)數(shù)字調(diào)制功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行矢量解調(diào)分析，矢量解調(diào)分析的信號(hào)處理流程如下圖所示。

關(guān)于各個(gè)關(guān)鍵步驟的功能和作用描述如下：

· 頻差補(bǔ)償：在進(jìn)行矢量信號(hào)解調(diào)的過(guò)程中，對(duì)于ADC采樣到的信號(hào)，首先通過(guò)數(shù)字濾波器把關(guān)心頻段內(nèi)的信號(hào)濾除出來(lái)，然后根據(jù)設(shè)置的中心頻點(diǎn)和符號(hào)速率進(jìn)行載波和符號(hào)的鎖定，并對(duì)發(fā)端和收端的頻率誤差進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。收發(fā)端的頻差可能造成持續(xù)的相位偏差，從而在解調(diào)的結(jié)果上表示為星座圖的旋轉(zhuǎn)（如下圖所示）。

· I/Q濾波：經(jīng)過(guò)頻差補(bǔ)償，已經(jīng)可以得到初步的I路和Q路的時(shí)域波形。把I路和Q路波形經(jīng)衰減和偏置補(bǔ)償后，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量濾波器，可以得到最終的I路和Q路波形（在解調(diào)軟件里稱(chēng)為IQMeasure Time）。這個(gè)測(cè)量濾波器用來(lái)模擬接收端的成型濾波器的形狀，當(dāng)發(fā)射端采用根升余弦濾波器時(shí)，這個(gè)測(cè)量濾波器也使用根升余弦濾波器。

· 符號(hào)解調(diào)：得到I/Q的時(shí)域波形后，就可以根據(jù)符號(hào)速率在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)對(duì)I/Q波形進(jìn)行采樣，從而得到I路和Q路的電壓值。根據(jù)相應(yīng)的電壓值再對(duì)應(yīng)I/Q符號(hào)編碼表進(jìn)行解碼，就可以恢復(fù)出傳輸?shù)姆?hào)數(shù)據(jù)信息，從而完成了數(shù)據(jù)的解調(diào)過(guò)程。

· 生成參考波形：獲得傳輸?shù)姆?hào)數(shù)據(jù)并不是最終目的，因?yàn)檎{(diào)制質(zhì)量只要不是特別差，應(yīng)該都是可以獲得正確的數(shù)據(jù)的，所以?xún)H僅獲得解調(diào)數(shù)據(jù)還不夠，還需要對(duì)其調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行量化分析。為了對(duì)實(shí)際的調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行分析，VSA軟件會(huì)以解調(diào)到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在數(shù)學(xué)上再模擬出這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一個(gè)理想的無(wú)失真發(fā)射機(jī)和理想的接收機(jī)后的時(shí)域波形。需要注意的是，在這步重建時(shí)域波形時(shí)使用的成型濾波器通常稱(chēng)為參考濾波器，和第2步中使用的測(cè)量濾波器不太一樣。測(cè)量濾波器只是模擬了接收端的濾波器，而這個(gè)參考濾波器則包含了發(fā)送端濾波器和接收端濾波器共同的影響。因此，如果發(fā)送端和接收端都是使用根升余弦濾波器，則測(cè)量濾波器為根升余弦濾波器，而參考濾波器則就是一個(gè)升余弦濾波器。

· 誤差計(jì)算：當(dāng)?shù)玫綄?shí)際測(cè)量到的I/Q信號(hào)波形，以及基于相同數(shù)據(jù)用理想發(fā)射機(jī)和接收機(jī)生成的參考波形后，就可以對(duì)兩個(gè)波形進(jìn)行比較并計(jì)算誤差。比如可以得到誤差的時(shí)域波形，也可以把誤差分解為幅度誤差和相位誤差，還可以對(duì)誤差的時(shí)域波形再進(jìn)行頻譜分析等。

在測(cè)量結(jié)果的誤差分析方法中，最直觀的是EVM（ErrorVector Magnitude：誤差矢量幅度）指標(biāo)。EVM定義如下圖所示，是把參考信號(hào)在星座圖上的位置做為參考點(diǎn)，把實(shí)際測(cè)量到I/Q信號(hào)在星座圖上相對(duì)于參考點(diǎn)的距離做為誤差矢量，然后把這個(gè)誤差矢量與最大符號(hào)幅度的比值的百分比稱(chēng)為EVM。每個(gè)符號(hào)都有對(duì)應(yīng)的EVM結(jié)果，通常會(huì)對(duì)多個(gè)符號(hào)EVM的結(jié)果取方差，用其均方根值作為當(dāng)前調(diào)制信號(hào)的EVM測(cè)量結(jié)果。

因此，在對(duì)信號(hào)解調(diào)過(guò)程中，除了設(shè)置正確的中心頻點(diǎn)、頻譜跨度、參考功率電平以外，最重要的是調(diào)制方式、符號(hào)速率、測(cè)量濾波器類(lèi)型、參考濾波器類(lèi)型以及濾波器滾降因子的設(shè)置。通過(guò)前面的介紹，應(yīng)該可以很容易理解并進(jìn)行這些參數(shù)的設(shè)置（如下圖所示）。

通過(guò)設(shè)置解調(diào)參數(shù)，并對(duì)解調(diào)結(jié)果的窗口略作調(diào)整后，可以看到如下圖的信號(hào)解調(diào)分析結(jié)果。從中可以顯示原始信號(hào)的頻譜、I/Q信號(hào)矢量形成的星座圖、誤差矢量結(jié)果、誤差矢量的統(tǒng)計(jì)分析、解調(diào)出的原始數(shù)據(jù)信息、以及I路和Q路的信號(hào)眼圖等信息。

在上面的解調(diào)結(jié)果中，可以從不同角度對(duì)信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行分析。比如從EVM測(cè)量結(jié)果來(lái)看，EVM值約為4%左右，算是比較正常的一個(gè)發(fā)射機(jī)的指標(biāo)；從信號(hào)頻譜上看，信號(hào)的主要功率集中在中心頻點(diǎn)附近70MHz左右的范圍內(nèi)，這主要是基帶成形濾波器的效果；從I/Q矢量圖上看，在QPSK的四個(gè)星座點(diǎn)上，采樣時(shí)刻矢量點(diǎn)的聚集還比較密集，這和EVM的測(cè)量結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的；從I路和Q路的眼圖看，在中間采樣時(shí)刻兩路信號(hào)的高低電平區(qū)分也比較明顯，說(shuō)明采樣時(shí)刻的碼間干擾很小，但同時(shí)在眼圖的其它位置幅度的上下波動(dòng)很大，這是由Nyquist濾波器的特性所決定的。

更進(jìn)一步的，還可以打開(kāi)光標(biāo)，對(duì)各個(gè)顯示窗口的結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，并且把各個(gè)窗口的光標(biāo)耦合在一起實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。這種時(shí)域、頻域、符號(hào)域、調(diào)制域的聯(lián)動(dòng)功能，可以大大提高分析調(diào)制信號(hào)時(shí)對(duì)于問(wèn)題的洞察能力。