矢量調(diào)制分析基礎(chǔ)知識（上）

前言

本文介紹 VSA 的矢量調(diào)制分析和數(shù)字調(diào)制分析測量能力。某些掃頻調(diào)諧頻譜分析儀也能通過使用另外的數(shù)字無線專用軟件來提供數(shù)字調(diào)制分析。然而，VSA 通常在調(diào)制格式和解調(diào)算法配置等方面提供更大的測量靈活性，并提供更多的數(shù)據(jù)結(jié)果和軌跡軌跡顯示。本文中描述的基本的數(shù)字調(diào)制分析概念也同樣適用于使用額外數(shù)字調(diào)制分析軟件的掃頻調(diào)諧分析儀。

VSA 真正的威力在于它測量和分析矢量調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號的能力。矢量調(diào)制分析是指測量具有實(shí)部和虛部分量的復(fù)信號。

矢量調(diào)制分析提供一個重要的測量工具就是模擬調(diào)制分析。例如，Agilent 89600B VSA 軟件提供了模擬調(diào)制分析，并且可以像調(diào)制分析儀一樣產(chǎn)生 AM、FM 和 PM 解調(diào)結(jié)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(diào)能力可以用來對數(shù)字通信發(fā)射機(jī)中的特殊問題進(jìn)行故障診斷。例如，相位解調(diào)經(jīng)常用于在特殊 LO 頻率上不穩(wěn)定性問題的故障分析。

由于數(shù)字通信系統(tǒng)使用復(fù)信號 (I-Q 波形 )，所以需要使用矢量調(diào)制分析功能來測量數(shù)字調(diào)制信號。但是矢量調(diào)制分析還不足以測量今天復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號。你還需要數(shù)字調(diào)制分析。數(shù)字調(diào)制分析用來將射頻調(diào)制載波信號解調(diào)為其復(fù)數(shù)分量 (I-Q 波形 )，之后你可以應(yīng)用數(shù)字和可視化工具快速識別和定量分析 I-Q 波形的缺損。數(shù)字調(diào)制分析可以檢波和恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比特。

數(shù)字解調(diào)還提供了調(diào)制質(zhì)量測量。使用于 Agilent VSA 的技術(shù) ( 在本節(jié)后面討論 ) 可以顯示非常細(xì)微的信號變化，并最終將其轉(zhuǎn)化為信號質(zhì)量信息。而這些是傳統(tǒng)的調(diào)制質(zhì)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(diào)制質(zhì)量。VSA 提供傳統(tǒng)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(fù)的比特和有價(jià)值的誤差數(shù)據(jù)，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(jìn)行頻率響應(yīng)測量和群時延測量，或查看碼域結(jié)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(shù)字調(diào)制格式類型。

VSA 的數(shù)字調(diào)制方案提供對多種數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)，例如 GSM、EDG、W-CDMA和 cdma2000 以及其它數(shù)字調(diào)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(fù)雜得多。測量可能是連續(xù)載波或脈沖載波 ( 例如 TDMA)，可以貫穿整個數(shù)字通信系統(tǒng)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)載波信號或符號時鐘計(jì)時信號。Agilent VSA 中的數(shù)字解調(diào)通用算法還允許你測量非標(biāo)準(zhǔn)格式的信號，針對定制的測試和分析改變用戶定義的數(shù)字測量參數(shù)。

矢量調(diào)制和數(shù)字調(diào)制

我們先回顧一下矢量調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。特別注意，雖然調(diào)制器和解調(diào)器兩個術(shù)語含有硬件的意思，但是基于軟件的 VSA ，實(shí)際上是基于 DSP 的軟件在執(zhí)行調(diào)制 / 解調(diào)的。數(shù)字調(diào)制是無線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個術(shù)語，指數(shù)字狀態(tài)由載波相對相位和 / 或幅度表示的一種調(diào)制。雖然我們討論的是數(shù)字調(diào)制，但是應(yīng)記住這種調(diào)制并不是數(shù)字的，而真正是模擬的。調(diào)制是按照調(diào)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(shù)字調(diào)制中，基帶調(diào)制信號是數(shù)字式的，而調(diào)制過程不是數(shù)字的。

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圖 1. 在數(shù)字調(diào)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(yīng)用，數(shù)字調(diào)制可以同時或單獨(dú)改變幅度、頻率和相位。這類調(diào)制可以通過傳統(tǒng)的模擬調(diào)制方案，例如幅度調(diào)制 (AM)、頻率調(diào)制 (FM) 或相位調(diào)制 (PM) 來完成。不過在實(shí)際系統(tǒng)中，通常使用矢量調(diào)制 ( 又稱為復(fù)數(shù)調(diào)制或 I-Q 調(diào)制 ) 作為替代。矢量調(diào)制是一種非常強(qiáng)大的調(diào)制方案，因?yàn)樗缮扇我獾妮d波相位和幅度。在這種調(diào)制方案中，基帶數(shù)字信息被分離成兩個獨(dú)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(diào)制信號。I 和 Q 分量最重要的特性是它們是獨(dú)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(shù)字系統(tǒng)使用它們的原因。

圖 2. 數(shù)字調(diào)制 I-Q 圖

理解和查看數(shù)字調(diào)制的簡單方法是使用圖2 所示的 I-Q 或矢量圖。在大多數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)中，載波頻率是固定的，因此只需考慮相位和幅度。未經(jīng)調(diào)制的載波作為相位和頻率參考，根據(jù)調(diào)制信號與載波的關(guān)系來解釋調(diào)制信號。相位和幅度可以作為 I-Q 平面中的虛線點(diǎn)在極坐標(biāo)圖或矢量坐標(biāo)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(yùn)算，來表示這個點(diǎn)。這就是 I-Q 調(diào)制的原理。

將載波放入到 I-Q 平面預(yù)先確定的某個位置上，然后發(fā)射已編碼信息。每個位置或狀態(tài) ( 或某些系統(tǒng)中狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換 ) 代表某一個可在接收機(jī)上被解碼的比特碼型。狀態(tài)或符號在每個符號選擇計(jì)時瞬間 ( 接收機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比特 ; 它們是所代表的數(shù)字消息的代號。每個符號號包含的比特?cái)?shù)即每符號號比特?cái)?shù) (bpsym) 由調(diào)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，星座圖的每個狀態(tài)位置都應(yīng)當(dāng)顯示為單個的點(diǎn)。但由于系統(tǒng)會受到了各種損傷和噪聲的影響，會引起這些狀態(tài)發(fā)生擴(kuò)散 ( 每個狀態(tài)周圍有分散的點(diǎn)呈現(xiàn) )。圖3 顯示了 16 QAM 格式 (16 正交幅度度調(diào)制 ) 的星座圖或狀態(tài)圖 ; 注意，此時有 16 個可能的狀態(tài)位置。該格式使用 4 比特?cái)?shù)據(jù)串，編碼為單個幅度度 / 相位狀態(tài)或符號號。為了產(chǎn)生這一調(diào)制格式，基于被傳輸?shù)拇a，I 和 Q 載波都需采用 4 個不同的幅度度電平。

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

在數(shù)字調(diào)制中，信號在有限數(shù)量的符號或狀態(tài)中移動。載波在星座圖各點(diǎn)間移動的速率稱為符號率。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?yàn)樗砹藗鬏斝盘枙r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(diào)制

在數(shù)字通信中，I-Q 調(diào)制將已編碼的數(shù)字 I 和 Q 基帶信息放入載波中。參見圖 4。I-Q 調(diào)制生成信號的 I 和 Q 分量 ; 從根本上講，它是直角坐標(biāo)—極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。

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圖 4. I-Q 調(diào)制

I-Q 調(diào)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(shù)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(diào)制載波生成同相分量。Q 幅度度信息調(diào)制 90° ( 直角 ) 相移的載波生成正交分量。這兩種正交調(diào)制載波信號相加生成復(fù)合 I-Q 調(diào)制載波信號。I-Q 調(diào)制的主要優(yōu)勢是可以容易地將獨(dú)立的信號分量合并為單個復(fù)合信號，隨后同樣容易地再將這個復(fù)合信號分解為獨(dú)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)系意味著這兩個信號是真正獨(dú)立的，它們是同一信號的兩個獨(dú)立分量。雖然 Q 輸入的變化肯定會改變復(fù)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(diào)

如圖5 所示，I-Q 解調(diào)是圖4 所示的 I-Q 調(diào)制的鏡像。I-Q 解調(diào)從復(fù)合 I-Q調(diào)制輸入信號中恢復(fù)原始的 I 和 Q 基帶信號。

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圖 5. I-Q 解調(diào) ( 或正交檢測 )

解調(diào)過程的第一步是將接收機(jī) LO 鎖相至發(fā)射機(jī)載頻。為了正確地恢復(fù) I 和 Q 基帶分量必須要把接收機(jī) LO 鎖相至發(fā)射機(jī)載波 ( 或混頻器 LO)。隨后，I-Q調(diào)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(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn) 90° 相移。

從根本上講，I-Q 解調(diào)過程就是極坐標(biāo)—直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。通常如果沒有極坐標(biāo)—直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，信息不能在極坐標(biāo)格式上繪制并重解釋為直角值。參見圖 2。這種轉(zhuǎn)換與 I-Q 解調(diào)器所執(zhí)行的同相和正交混合過程完全一致。

為什么使用 I 和 Q ?

數(shù)字調(diào)制使用 I 和 Q 分量，因?yàn)樗商峁┖唵斡行?、功能?qiáng)大的調(diào)制方法來生成、發(fā)射與恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。I-Q 域中的調(diào)制信號具有很多優(yōu)勢:

1. I-Q 的實(shí)現(xiàn)提供一種生成復(fù)信號 ( 相位和幅度均改變 ) 的方法幅度。I-Q 調(diào)制器不使用非線性，難實(shí)現(xiàn)的相位調(diào)制，而是簡單的對載波幅度度及其正交量進(jìn)行線性調(diào)制。具有寬調(diào)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(fù)調(diào)制信號，只需產(chǎn)生信號的基帶 I 和 Q 分量。I-Q 調(diào)制的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是調(diào)制算法可以生成從數(shù)字制式到射頻脈沖甚至線性調(diào)頻雷達(dá)等各種調(diào)制。
2. 信號的解調(diào)也同樣簡單明了。使用 I-Q 解調(diào)至少理論上可以輕松地恢復(fù)基帶信號。
3. 在 I-Q 平面上觀查信號經(jīng)常能更好地洞察信號。串?dāng)_、數(shù)據(jù)偏移、壓縮以及AM-PM 失真等用其它方法難以呈現(xiàn)的現(xiàn)象在 I-Q 平面上可以輕松查看。

數(shù)字射頻通信系統(tǒng)

圖6 是一個通用的使用 I-Q 調(diào)制的數(shù)字射頻通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)的的簡化方框圖，通過對該系統(tǒng)基本概念的了解能更好地理解帶有矢量調(diào)制分析功能的 VSA 的工作情況。通信發(fā)射機(jī)和計(jì)算機(jī)的所有部分都可被帶有矢量調(diào)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?yàn)?VSA 只需要利用時間采樣數(shù)據(jù)。

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圖 6. 數(shù)字射頻通信系統(tǒng)的簡化方框圖。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出現(xiàn)。

數(shù)字通信發(fā)射機(jī)

通信發(fā)射機(jī)開始于語音編碼 ( 假設(shè)進(jìn)行語音傳輸 )，即對模擬信號進(jìn)行量化并轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) ( 數(shù)字化 ) 的過程。隨后，數(shù)據(jù)壓縮用于降低數(shù)據(jù)速率并提高頻譜效率。信道編碼和交織屬于常見技術(shù)，通過最小化噪聲與干擾的影響來改進(jìn)信號完整性。額外的比特經(jīng)常被用來進(jìn)行誤差校準(zhǔn)或者作為識別和均衡的訓(xùn)練序列。這些技術(shù)還使與接收機(jī)的同步 ( 找尋符號時鐘 ) 更簡單。符號編碼器將串行比特流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)?I 和 Q 基帶信號，對應(yīng)具體的系統(tǒng)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?shù)念l率和精確計(jì)時。當(dāng)符號時鐘跳變時，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) )。各個符號的時間間隔即為符號時鐘周期，其倒數(shù)是符號時鐘頻率。當(dāng)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(jīng)過濾的無線數(shù)字調(diào)制器的輸出會占用非常寬的帶寬 ( 理論上是無限寬 )。這是因?yàn)檎{(diào)制器被基帶 I-Q 方波的快速跳變所驅(qū)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?yàn)樗鼤p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?；鶐V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(shí)際上，濾波減緩了狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，從而限制了頻譜。不過濾波也不是沒有缺點(diǎn) ; 它會導(dǎo)致信號和數(shù)據(jù)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、過沖以及濾波器時間 ( 脈沖 ) 響應(yīng)引起的有限振鈴效應(yīng)。頻譜分量減少了就會使信息丟失，從而可能導(dǎo)致接收機(jī)重建信號困難，甚至是不可重建的。濾波器的振鈴響應(yīng)可能持續(xù)很久，以致影響到隨后的符號，并產(chǎn)生碼間串?dāng)_ (ISI)。ISI 定義為前后符號的多余能量干擾到當(dāng)前的符號，導(dǎo)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(shù)字通信設(shè)計(jì)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?yàn)樗軌蜃钍箶?shù)據(jù)速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道帶寬需求。在本節(jié)后面的部分，你將會進(jìn)一步了解這種濾波器。為了改進(jìn)系統(tǒng)的整體性能，濾波器一般會在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jī)和接收機(jī)并正確實(shí)現(xiàn)。圖6 僅顯示了一個基帶濾波器。但在實(shí)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(diào)制器的輸入。調(diào)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(diào)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(diào)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(shù)字通信接收機(jī)

接收機(jī)從本質(zhì)上說是發(fā)射機(jī)的反向?qū)崿F(xiàn)，但在設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜。接收機(jī)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(diào)。解調(diào)信號和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)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(diào)過程通常包括以下階段 : 載波頻率恢復(fù) ( 載波鎖定 )、符號時鐘恢復(fù)( 符號鎖定 )、信號分解為 I 和 Q 分量 (I-Q 解調(diào))、I 和 Q 符號檢測、比特解調(diào)和去交織 ( 解碼比特 )、解壓縮 ( 擴(kuò)展至原始比特流 )，如果需要最后是數(shù)模轉(zhuǎn)換。

接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的主要區(qū)別是需要恢復(fù)載波和符號時鐘。在接收機(jī)中，符號時鐘的頻率和相位 ( 或計(jì)時 ) 都必須正確，才可以成功地解調(diào)比特和恢復(fù)已發(fā)射信息。例如，符號時鐘的頻率設(shè)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(diào)將會失敗。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)艱巨任務(wù)是建立載波和符號時鐘恢復(fù)算法。有些時鐘恢復(fù)技術(shù)包括測量調(diào)制幅度度變化、或者在帶有脈沖載波的系統(tǒng)中可以使用功率打開事件。當(dāng)發(fā)射機(jī)的信道編碼提供訓(xùn)練序列或同步比特時，這項(xiàng)任務(wù)便可以簡單些。