技術(shù)牛人詳解：矢量調(diào)制分析基礎(chǔ)（經(jīng)典收藏版）

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文介紹VSA 的矢量調(diào)制分析和數(shù)字調(diào)制分析測(cè)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(wú)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(cè)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(cè)量和分析矢量調(diào)制信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)的能力。矢量調(diào)制分析是指測(cè)量具有實(shí)部和虛部分量的復(fù)信號(hào)。

矢量調(diào)制分析提供一個(gè)重要的測(cè)量工具就是模擬調(diào)制分析。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(shí)間變化的曲線圖。這些額外的模擬解調(diào)能力可以用來對(duì)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(hào)(I-Q 波形),所以需要使用矢量調(diào)制分析功能來測(cè)量數(shù)字調(diào)制信號(hào)。但是矢量調(diào)制分析還不足以測(cè)量今天復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。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(hào)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(shí)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(cè)量。使用于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(hào)變化,并最終將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)質(zhì)量信息。而這些是傳統(tǒng)的調(diào)制質(zhì)量測(cè)量方法無(wú)法提供的。各種顯示格式和能力用來查看基帶信號(hào)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(hào)/ 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(duì)時(shí)間、幅度/ 相位誤差對(duì)頻率或均衡,允許你進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)量和群時(shí)延測(cè)量,或查看碼域結(jié)果。VSA 提供的顯示格式和測(cè)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(cè)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(duì)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(hào)的測(cè)量支持。這些信號(hào)比我們?cè)谶@里將要考察的簡(jiǎn)單信號(hào)復(fù)雜得多。測(cè)量可能是連續(xù)載波或脈沖載波( 例如TDMA),可以貫穿整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖,對(duì)基帶、IF 和射頻位置進(jìn)行測(cè)量。不需要外部濾波、相關(guān)載波信號(hào)或符號(hào)時(shí)鐘計(jì)時(shí)信號(hào)。VSA 中的數(shù)字解調(diào)通用算法還允許你測(cè)量非標(biāo)準(zhǔn)格式的信號(hào),針對(duì)定制的測(cè)試和分析改變用戶定義的數(shù)字測(cè)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(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(zhí)行調(diào)制/ 解調(diào)的。數(shù)字調(diào)制是無(wú)線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ),指數(shù)字狀態(tài)由載波相對(duì)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(hào)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(hào)是數(shù)字式的,而調(diào)制過程不是數(shù)字的。

圖1. 在數(shù)字調(diào)制中,信息包含在載波的相對(duì)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(shí)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(gè)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(hào)。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(jiǎn)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(hào)與載波的關(guān)系來解釋調(diào)制信號(hào)。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(gè)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(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(tǒng)中狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換) 代表某一個(gè)可在接收機(jī)上被解碼的比特碼型。狀態(tài)或符號(hào)在每個(gè)符號(hào)選擇計(jì)時(shí)瞬間( 接收機(jī)轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)) 在I-Q 平面的映射稱為星座圖。參見圖3。一個(gè)符號(hào)號(hào)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(hào)。每個(gè)符號(hào)號(hào)包含的比特?cái)?shù)即每符號(hào)號(hào)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(gè)狀態(tài)位置都應(yīng)當(dāng)顯示為單個(gè)的點(diǎn)。但由于系統(tǒng)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(kuò)散( 每個(gè)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(shí)有16 個(gè)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(gè)幅度度/ 相位狀態(tài)或符號(hào)號(hào)。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(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(hào)號(hào)) 和符號(hào)號(hào)時(shí)間

在數(shù)字調(diào)制中,信號(hào)在有限數(shù)量的符號(hào)或狀態(tài)中移動(dòng)。載波在星座圖各點(diǎn)間移動(dòng)的速率稱為符號(hào)率。使用的星座狀態(tài)越多,給定比特率所需的符號(hào)率就越低。符號(hào)率十分重要因?yàn)樗砹藗鬏斝盘?hào)時(shí)所需的帶寬。符號(hào)號(hào)

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(hào)號(hào)4 比特的速率。如果無(wú)線傳輸速率為16 Mbps,則符號(hào)率= 16 (Mbps) 除以4 比特即4 MHz。此時(shí)提供的符號(hào)號(hào)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(duì)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(hào)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)。

圖4. I-Q 調(diào)制

I-Q 調(diào)制接受I 和Q 基帶信號(hào)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(shù)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(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(hào)相加生成復(fù)合I-Q 調(diào)制載波信號(hào)。I-Q 調(diào)制的主要優(yōu)勢(shì)是可以容易地將獨(dú)立的信號(hào)分量合并為單個(gè)復(fù)合信號(hào),隨后同樣容易地再將這個(gè)復(fù)合信號(hào)分解為獨(dú)立的分量部分。以90° 分離的信號(hào)彼此之間呈直角或正交關(guān)系。I 和Q 信號(hào)的正交關(guān)系意味著這兩個(gè)信號(hào)是真正獨(dú)立的,它們是同一信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立分量。雖然Q 輸入的變化肯定會(huì)改變復(fù)合輸出信號(hào),但不會(huì)對(duì)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(hào)。

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(hào)中恢復(fù)原始的I 和Q 基帶信號(hào)。

圖5. I-Q 解調(diào)( 或正交檢測(cè))

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(hào)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┖?jiǎn)單有效、功能強(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(hào)具有很多優(yōu)勢(shì):

1. I-Q 的實(shí)現(xiàn)提供一種生成復(fù)信號(hào)( 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(jiǎn)單的對(duì)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(hào),只需產(chǎn)生信號(hào)的基帶I 和Q 分量。I-Q 調(diào)制的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(hào)的解調(diào)也同樣簡(jiǎn)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(hào)。

3. 在I-Q 平面上觀查信號(hào)經(jīng)常能更好地洞察信號(hào)。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(gè)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(jiǎn)化方框圖,通過對(duì)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(cè)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)閂SA 只需要利用時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。

圖6. 數(shù)字射頻通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(yǔ)音編碼( 假設(shè)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸),即對(duì)模擬信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)時(shí)鐘) 更簡(jiǎn)單。符號(hào)編碼器將串行比特流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腎 和Q 基帶信號(hào),對(duì)應(yīng)具體的系統(tǒng)每個(gè)信號(hào)映射到I-Q 平面上符號(hào)。符號(hào)時(shí)鐘代表各個(gè)符號(hào)傳輸?shù)念l率和精確計(jì)時(shí)。當(dāng)符號(hào)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(hào)( 星座圖的特定點(diǎn))。各個(gè)符號(hào)的時(shí)間間隔即為符號(hào)時(shí)鐘周期,其倒數(shù)是符號(hào)時(shí)鐘頻率。當(dāng)符號(hào)時(shí)鐘與檢測(cè)符號(hào)的最佳瞬時(shí)同步時(shí),符號(hào)時(shí)鐘相位是正確的符號(hào)。

一旦I 和Q 基帶信號(hào)生成后,它們會(huì)被過濾( 帶限) 以提高頻譜效率。未經(jīng)過濾的無(wú)線數(shù)字調(diào)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?yàn)檎{(diào)制器被基帶I-Q 方波的快速跳變所驅(qū)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?yàn)樗鼤?huì)減少其他用戶的可用頻譜并造成對(duì)鄰近用戶的信號(hào)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(duì)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸性能的下降。

信號(hào)質(zhì)量的下降是由于頻譜分量的減少、過沖以及濾波器時(shí)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(huì)使信息丟失,從而可能導(dǎo)致接收機(jī)重建信號(hào)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(hào),并產(chǎn)生碼間串?dāng)_(ISI)。ISI 定義為前后符號(hào)的多余能量干擾到當(dāng)前的符號(hào),導(dǎo)致接錯(cuò)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(gè)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(huì)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(huì)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(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)。

已過濾的I 和Q 基帶信號(hào)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(wú)線射頻(RF) 上。調(diào)制器的輸出是中頻( 或射頻)上的兩個(gè)正交I 和Q 信號(hào)的合成。調(diào)制后,如果需要,信號(hào)會(huì)上變頻到射頻。再將任何多余的頻率過濾掉,最后信號(hào)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(hào)下變頻為中頻信號(hào),然后進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)信號(hào)和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的能力通常難度較大。發(fā)射信號(hào)經(jīng)常被空氣噪聲、信號(hào)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(hào)時(shí)鐘恢復(fù)( 符號(hào)鎖定)、信號(hào)分解為I 和Q 分量(I-Q 解調(diào))、I 和Q 符號(hào)檢測(cè)、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(hào)時(shí)鐘。在接收機(jī)中,符號(hào)時(shí)鐘的頻率和相位( 或計(jì)時(shí)) 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(hào)時(shí)鐘的頻率設(shè)置正確,但相位錯(cuò)誤。就是說如果符號(hào)時(shí)鐘與符號(hào)間的過度同步,而不是符號(hào)本身,解調(diào)將會(huì)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(hào)時(shí)鐘恢復(fù)算法。有些時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)包括測(cè)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(shí),這項(xiàng)任務(wù)便可以簡(jiǎn)單些。

VSA 數(shù)字調(diào)制分析概念和工作原理

VSA 可被看作是基于軟件的測(cè)量接收機(jī)。它實(shí)際上是在數(shù)字調(diào)制解碼時(shí)采用與大多數(shù)數(shù)字無(wú)線接收機(jī)相似技術(shù)的I-Q 接收機(jī)。不同的是,VSA 軟件專為高精度參數(shù)測(cè)量和調(diào)制特性顯示而設(shè)計(jì)。還有,VSA 是能夠測(cè)量和分析數(shù)字通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)系統(tǒng)幾乎所有方面的測(cè)量工具。

圖7. 帶有射頻前端的VSA 測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。對(duì)于其它前端,VSA 軟件將執(zhí)行所給前端不支持的功能。

圖7 顯示了89600B VSA 的簡(jiǎn)化系統(tǒng)方框圖。你可能注意到系統(tǒng)方框中的許多部分與圖6 所示的數(shù)字通信接收機(jī)的類似。通過幾個(gè)階段的超外差式混頻將射頻輸入信號(hào)下變頻為能被ADC 精確數(shù)字化的中頻信號(hào)。有多種不同類型的前端都可完成這個(gè)過程。有的比如信號(hào)分析儀提供射頻信號(hào)檢測(cè)和中頻數(shù)字化。其它的像示波器和邏輯分析儀則提供完全數(shù)字化的基帶信號(hào)。VSA 所需的輸入是經(jīng)過數(shù)字化的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。隨后,對(duì)這個(gè)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行矢量( 正交) 檢測(cè)和數(shù)字過濾; 如果需要,將其最后一次下變頻為I 和Q 基帶信號(hào)格式(I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)) 并存儲(chǔ)在RAM 中。接著就是使用DSP 算法解調(diào)這個(gè)信號(hào); 恢復(fù)載波和符號(hào)時(shí)鐘并應(yīng)用建濾波和解碼( 恢復(fù)原始比特)。幾乎任何一種調(diào)制格式都可被這個(gè)DSP 軟件解調(diào)。

VSA 的實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收機(jī)不同,VSA 處理采樣的信號(hào)是基于樣本塊; 而無(wú)線接收機(jī)是實(shí)時(shí)串行串行數(shù)據(jù)。當(dāng)為VSA 軟件提供無(wú)線接收機(jī)參數(shù)時(shí),它可以通過DSP 的處理過程合成這個(gè)接收機(jī)。它能夠提供接收機(jī)的全部功能,甚至包括生成模擬波形。因?yàn)樾盘?hào)實(shí)際上是數(shù)字化的,它可被后期處理并在時(shí)域、頻域或調(diào)制域的任何域中查看。

VSA 數(shù)字解調(diào)

VSA 中數(shù)字解調(diào)過程的核心是數(shù)字解調(diào)。圖8 顯示了89600B 所使用的數(shù)字解調(diào)算法的簡(jiǎn)化方框圖。數(shù)字解調(diào)算法提供通用解調(diào),僅需輸入信號(hào)很少的先驗(yàn)信息即可執(zhí)行解調(diào),并適用于非常廣泛的調(diào)制格式。解調(diào)器提供載波鎖定、符號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)和比特恢復(fù)( 對(duì)實(shí)際已編碼的1 和0 進(jìn)行解碼),并生成I-Q 測(cè)量波形。解調(diào)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(fù)比特( 稱為I-Q 參考波形 ) 合成。I-Q 測(cè)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(diào)制質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)果,該結(jié)果可以通過各種數(shù)據(jù)格式和顯示輸出進(jìn)行查看。

解調(diào)過程從配置VSA 基于軟件的解調(diào)器開始。解調(diào)算法必須根據(jù)特定的數(shù)字調(diào)制格式進(jìn)行配置,以恰當(dāng)?shù)亟庹{(diào)和分析信號(hào)。大多數(shù)分析選件提供一組標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)值,例如GSM、W-CDMA、cdma2000 或802.11a/b/g,可自動(dòng)配置解調(diào)器。在這些情況下,輸入中心頻率并選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)置,軟件就可以解調(diào)信號(hào)。

靈活配制或用戶定義的解調(diào)

89600B VSA 軟件通過一個(gè)通用的、用戶可定義的解調(diào)器提供更多額外功能。它允許針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)格式或故障診斷定制解調(diào)器配置。圖8 的解調(diào)方框圖顯示了內(nèi)部解調(diào)過程( 矩形框內(nèi)) 和用戶可設(shè)的配置參數(shù)( 橢圓或圓角矩形框內(nèi))。橢圓框內(nèi)的項(xiàng)目是用于定義測(cè)量所需的解調(diào)器的配置參數(shù)。圓角框內(nèi)是用戶可調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)。解調(diào)算法至少知道調(diào)制格式(QPSK、FSK 等)、符號(hào)速率、基帶濾波器類型和濾波器 α/BT 等參數(shù)。這組參數(shù)通常通常足以滿足解調(diào)器鎖定信號(hào)以及很多格式的符號(hào)恢復(fù)的需要。其它格式,像定制的OFDM 針對(duì)具體格式類型則需要額外的信息。

圖8. 數(shù)字方框圖

數(shù)字解調(diào)基帶濾波

前面提到,數(shù)字解調(diào)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(jī)一樣,數(shù)字解調(diào)基帶濾波必須配置的與被測(cè)系統(tǒng)匹配,以精確地解調(diào)信號(hào)。這同樣要求濾波器類型( 如Nyquist 或Gaussian) 與濾波器帶寬系數(shù)(α 或BT) 匹配。

如圖9 所示,I-Q 測(cè)量波形和I-Q 參考波形具備獨(dú)自的信號(hào)處理路徑和基帶濾波。I-Q 測(cè)量波形必須使用與被測(cè)系統(tǒng)的接收機(jī)濾波相匹配的基帶濾波。該濾波器稱為測(cè)量濾波器或Meas Filter。I-Q 參考波形必須使用與被測(cè)系統(tǒng)的總體( 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)) 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?yàn)樗脕砗铣煽杀弧巴昝赖摹本€性信道信道響應(yīng)接收的理想的I-Q 信號(hào)。解調(diào)器必須利用總體系統(tǒng)信道濾波才能精確地合成參考I-Q 波形。

選擇恰當(dāng)?shù)臑V波

在數(shù)字通信系統(tǒng)中,基帶濾波可能出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)上; 或者分布在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間,發(fā)射機(jī)中完成一半濾波,接收機(jī)中完成另外一半。這是個(gè)很重要的概念,會(huì)影響到解調(diào)器在處理I-Q 測(cè)量波形和I-Q 參考波形時(shí)所需的濾波器類型。VSA 軟件的Meas Filter 代表系統(tǒng)接收機(jī)的基帶濾波,而Ref Filter 代表整個(gè)系統(tǒng)的基帶濾波( 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)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(jī)和接收機(jī)的濾波。

借助已檢測(cè)的比特,再結(jié)合對(duì)調(diào)制類型和濾波的了解,可以確定理想信號(hào)。

選擇正確的解調(diào)基帶濾波可能并不像想象中的那么簡(jiǎn)單直接,尤其是對(duì)于分布式系統(tǒng)。例如,北美數(shù)字蜂窩(NADC) 標(biāo)準(zhǔn)采用分布式濾波; 在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中都使用了根升余弦濾波器。參見圖9。在VSA 解調(diào)里,針對(duì)I-Q 測(cè)量波形使用一個(gè)根升余弦濾波器( 與系統(tǒng)接收機(jī)濾波匹配,系統(tǒng)發(fā)射機(jī)含有一個(gè)類似濾波器)。對(duì)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(tǒng)信道濾波匹配)。這是因?yàn)槠椒礁? 升余弦) 乘以平方根( 升余弦) 的結(jié)果就等于升余弦濾波器。

表1 顯示了一些常用的濾波器類型以及測(cè)量和參考濾波器基于發(fā)射機(jī)濾波器類型的選擇示例。

表1. 常用的發(fā)射機(jī)濾波器類型

濾波器 α 和BT 帶寬時(shí)間產(chǎn)品

可精確代表被測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)濾波器參數(shù)是濾波器帶寬系數(shù),定意為濾波器 α 或BT。每個(gè)濾波器類型將會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的濾波器帶寬系數(shù); Nyquist 濾波器使用 α,高斯濾波器使用BT。解調(diào)器對(duì)測(cè)量濾波器和參考濾波器使用相同的 α 或BT 值。

根據(jù)具體的應(yīng)用需求,數(shù)字通信使用許多濾波器類型,傳統(tǒng)上,使用Nyquist ( 升余弦) 濾波器是因?yàn)樗茏钚』疘SI 。如圖10 所示,Nyquist 濾波器脈沖響應(yīng)的峰值幅度出現(xiàn)在符號(hào)時(shí)刻t = 0 幅度時(shí),而在所有其它符號(hào)時(shí)刻為零。也就是說,該響應(yīng)在符號(hào)周期的整數(shù)倍(1 除以 fs) 通過零點(diǎn)。這意味著Nyquist 已過濾的符號(hào)不會(huì)干擾周圍的符號(hào)( 即符號(hào)間干擾為零)。雖然Nyquist 濾波器可最大限度地減少ISI,但對(duì)于有些應(yīng)用ISI 并不是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)時(shí)鐘恢復(fù)方面具有優(yōu)勢(shì)。它通常使用在GSM ( 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)) 的無(wú)線電話系統(tǒng)中。Chebyshev 濾波器具有陡降特性,能夠有效減少對(duì)相鄰信道的功率泄漏。

Chebyshev 濾波器通常應(yīng)用在使用CDMA ( 碼分多址) 調(diào)制方案的無(wú)線電話系統(tǒng)中,例如cdmaOne 和cdma2000。除了這里探討的類型外,數(shù)字通信領(lǐng)域還采用許多其它類型的濾波器。

圖10. Nyquist 濾波器最大限度地降低符號(hào)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(huì)增加理論最小值之外的帶寬。調(diào)制原理指出,發(fā)射一個(gè)信號(hào)所需的最小帶寬等于符號(hào)率的一半。不過,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)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(hào)率。但磚墻式濾波器并不能實(shí)現(xiàn),所以實(shí)際中的通信系統(tǒng)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(gè)值是頻譜效率和最小ISI 的一個(gè)很好的折衷。對(duì)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(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù),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(diào)分析

一旦用戶提供了輸入配置,解調(diào)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(chǔ)器的I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)。VSA 軟件能夠接收來自外部硬件( 例如Agilent X 系列信號(hào)分析儀或Infiniium 系列示波器) 或記錄文件的I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)。解調(diào)器使用所提供的中心頻率和符號(hào)率鎖定載波,并且從調(diào)制載波上恢復(fù)符號(hào)時(shí)鐘。注意,解調(diào)器參考時(shí)鐘不需要與源時(shí)鐘鎖定。解調(diào)算法自動(dòng)提供載波和符號(hào)鎖定; 不必提供額外的源時(shí)鐘輸入。然后信號(hào)通過補(bǔ)償過程應(yīng)用增益和相位校正。補(bǔ)償數(shù)據(jù)( 例如幅度幅度偏差和I-Q 偏置誤差數(shù)據(jù)) 被存儲(chǔ)并可以在誤差匯總表中查看。隨后,應(yīng)用數(shù)字基帶濾波以恢復(fù)基帶I-Q 波形(I-Q 測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù))。將已恢復(fù)的I-Q 波形送入到符號(hào)檢測(cè)器,基于具體的調(diào)制格式來嘗試確定發(fā)射的符號(hào)。從符號(hào)塊中,解碼和恢復(fù)串行數(shù)據(jù)比特(1 和0)。參考產(chǎn)生器使用已檢測(cè)的符號(hào)再結(jié)合調(diào)制格式、符號(hào)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(shù)據(jù))。最終將測(cè)得的I/Q 波形和參考I-Q 波形進(jìn)行對(duì)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(cè)量和I-Q 參考信號(hào)

通過對(duì)比測(cè)得的信號(hào)與理想的參考信號(hào),可以分析I-Q 調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量。參見圖9。解調(diào)過程會(huì)生成兩個(gè)波形: I-Q 測(cè)量波形和I-Q 參考波形。I-Q 測(cè)量波形是針對(duì)輸入信號(hào)解調(diào)的基帶I-Q 數(shù)據(jù),也稱為IQ 測(cè)量時(shí)間。I-Q 參考波形是如果輸入信號(hào)是理想的( 沒有誤差),在解調(diào)該輸入信號(hào)后應(yīng)該得到的基帶I-Q 數(shù)據(jù),也稱為IQ 參考時(shí)間。假設(shè)原始的數(shù)據(jù)序列可以被恢復(fù),I-Q 參考波形從I-Q 波形恢復(fù)的數(shù)據(jù)比特中采用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出。I-Q 參考波形的產(chǎn)生開始于恢復(fù)已解調(diào)I-Q 測(cè)量波形的實(shí)際符號(hào)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(jù)參考信道濾波進(jìn)行基帶過濾,從而生成一個(gè)理想的I-Q 參考波形。然后對(duì)比I-Q 測(cè)量波形與I-Q 參考波形,分析輸入信號(hào)的質(zhì)量。從已測(cè)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(hào)變化,并能轉(zhuǎn)化為信號(hào)的質(zhì)量信息,這些信息是傳統(tǒng)調(diào)制質(zhì)量測(cè)量方法所不能提供的。

測(cè)量概念

現(xiàn)在已解釋了一些數(shù)字調(diào)制基礎(chǔ)和VSA 的系統(tǒng)原理,下一步是了解關(guān)于數(shù)字調(diào)制分析測(cè)量結(jié)果與用于系統(tǒng)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(cè)量結(jié)果,調(diào)制信號(hào)的符號(hào)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(hào)在相差90°的相位狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。信號(hào)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(hào)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(shù)字調(diào)制的IQ 圖,顯示了時(shí)間上各個(gè)時(shí)刻所恢復(fù)的復(fù)雜I-Q 基帶信號(hào)。它顯示了信號(hào)狀態(tài)以及信號(hào)在符號(hào)之間移動(dòng)時(shí)的跳變過程。從原點(diǎn)到矢量示意圖上某個(gè)點(diǎn)繪制的矢量線對(duì)應(yīng)著此刻的瞬時(shí)電壓。

圖11a 顯示了前面提到的QPSK 調(diào)制信號(hào)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(cè)的符號(hào)和符號(hào)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(hào)時(shí),記住你是在觀察信號(hào)相對(duì)載波的幅度和相位。未調(diào)制的載波是相位參考(0°)。圖11 中,每個(gè)檢測(cè)的符號(hào)都是相對(duì)未調(diào)制載波以不同的幅度和相位進(jìn)行調(diào)制,但頻率與載波一致。如果檢測(cè)到符號(hào)頻率與未調(diào)制載波的不同,它的表象是信號(hào)相對(duì)未調(diào)制載波連續(xù)增加或減小相位似的移動(dòng)。還有,數(shù)字調(diào)制屬于三維測(cè)量,根據(jù)I ( 同相)/Q ( 正交)分量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)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(shù)無(wú)法顯示。

星座圖

圖11b 顯示了與前面相同的QPSK 信號(hào)的星座圖。星座圖顯示了與符號(hào)時(shí)鐘同步的載波幅度和相位。這些測(cè)量點(diǎn)通常就是檢測(cè)判斷點(diǎn),代表已檢測(cè)的符號(hào)。它與I-Q 圖類似,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(hào)都應(yīng)顯示為單點(diǎn),并集中在理想狀態(tài)位置處( 以十字坐標(biāo)顯示)。理想狀態(tài)是指信號(hào)沒有誤差時(shí)的符號(hào)位置。不過由于信號(hào)的損傷及其它調(diào)制誤差會(huì)造成偏差,符號(hào)會(huì)分散在理想狀態(tài)位置的周圍。

89600B VSA 允許你在理想狀態(tài)周圍放置一個(gè)定義好的誤差限制圈。顯示的實(shí)際已檢測(cè)符號(hào)與理想狀態(tài)可以幫助您直觀地了解信號(hào)質(zhì)量。星座圖有助于識(shí)別幅度不平衡、正交誤差或相位噪聲等信號(hào)損傷。

誤差矢量幅度(EVM)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)是誤差矢量幅度(EVM)。誤差矢量是指在給定時(shí)間的理想?yún)⒖夹盘?hào)和所測(cè)信號(hào)之間的矢量差。參見圖12。誤差矢量是一個(gè)復(fù)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(cè)得的信號(hào)與理想?yún)⒖夹盘?hào)的差異

EVM 定義為在符號(hào)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(hào)的幅度或符號(hào)平均功率的平方根。EVM 測(cè)量在有些通信標(biāo)準(zhǔn)中也稱為相對(duì)星座誤差(RCE),各種相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)于任意

數(shù)字調(diào)制格式中影響信號(hào)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(tǒng)基帶、中頻或射頻部分中的故障的理想測(cè)量工具。

圖13 是圖12 中定義的調(diào)制質(zhì)量測(cè)量的示例。誤差矢量時(shí)間數(shù)據(jù)( 軌跡A) 是根據(jù)I-Q 測(cè)量信號(hào)和I-Q 參考信號(hào)上相應(yīng)符號(hào)點(diǎn)計(jì)算出的誤差矢量幅度。誤差矢量頻譜數(shù)據(jù)( 軌跡B) 顯示了誤差矢量時(shí)間數(shù)據(jù)的頻譜。也就是說,誤差矢量時(shí)間數(shù)據(jù)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(hào)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(cè)量這些頻譜,可以更深入地了解這些誤差信號(hào)的本質(zhì)與來源。頻率峰值通常會(huì)對(duì)應(yīng)方框圖中某處的一個(gè)信號(hào)。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(cè)量信號(hào)和I-Q 參考信號(hào)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(hào)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(shù)據(jù)的頻譜。軌跡C (IQ 幅度誤差) 是測(cè)量IQ 波形和IQ 參考波形的幅度差。

軌跡D (IQ 相位誤差) 是測(cè)量IQ 波形和IQ 參考波形的相位差。

符號(hào)表/ 誤差匯總

符號(hào)表/ 誤差匯總測(cè)量結(jié)果可能是數(shù)字解調(diào)最強(qiáng)大的工具了。你可以看到解調(diào)比特,以及所有解調(diào)符號(hào)的誤差統(tǒng)計(jì)。例如,查看rms EVM 值可以幫助你快速評(píng)估調(diào)制精度。還有其它很多有價(jià)值的誤差報(bào)告。圖14 顯示了前面使用的QPSK 信號(hào)的符號(hào)表/ 誤差匯總數(shù)據(jù)。標(biāo)記讀數(shù)顯示的是符號(hào)表中突出顯示的比特對(duì)應(yīng)的值,代表符號(hào)3,數(shù)值為2 (“10”的二進(jìn)制值)?？梢钥闯鲞@個(gè)值與QPSK 調(diào)制所需的雙比特碼元一致。誤差表顯示了適用于QPSK 調(diào)制信號(hào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與誤差數(shù)據(jù)。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(diào)制測(cè)量,但還有很多定性顯示和定量測(cè)量并未涉及。

圖14. 符號(hào)表/ 誤差匯總數(shù)據(jù)提供解調(diào)比特及所有已解調(diào)信息的誤差統(tǒng)計(jì)。

模擬調(diào)制分析

矢量調(diào)制分析可以提供的另一種重要的測(cè)量工具是模擬調(diào)制分析。模擬調(diào)制產(chǎn)生AM、FM 和PM 解調(diào)結(jié)果,類似于調(diào)制分析的輸出,允許你查看幅度、頻率和相位特性對(duì)時(shí)間的關(guān)系。這些模擬調(diào)制分析能力增強(qiáng)了VSA 已有的數(shù)字調(diào)制分析功能,提供完整的分析數(shù)字通信系統(tǒng)的測(cè)量解決方案。例如,可使用模擬調(diào)制能力分析像FSK ( 頻移鍵控) 這樣的有意調(diào)制; 像相位噪聲或AM-PM 轉(zhuǎn)換這樣的無(wú)意調(diào)制; 或者像頻率或相位穩(wěn)定或脈沖成形過程這種單脈沖信號(hào)參數(shù)。

解調(diào)信號(hào)的過程看上去挺復(fù)雜,但矢量調(diào)制和I-Q 調(diào)制過程的基礎(chǔ)特性使得解調(diào)變得簡(jiǎn)單。前面提到的矢量或IQ 圖( 圖2 和11) 顯示了調(diào)制載波相對(duì)未調(diào)制載波的瞬時(shí)幅度和相位,這有助于顯示數(shù)字調(diào)制特性。不過它還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來查看模擬調(diào)制信號(hào)特性,例如圖15 所示的AM、PM 和FM 調(diào)制。未調(diào)制連續(xù)波(CW) 信號(hào)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(hào)的軌跡經(jīng)過原點(diǎn)沿著固定線路,只有信號(hào)幅度發(fā)生改變。FM 信號(hào)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 的軌跡類似,當(dāng)然,相位的相對(duì)變化是關(guān)鍵參數(shù)。在矢量調(diào)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(diào)制特性。

傳統(tǒng)上,為了查看載波調(diào)制波形( 調(diào)制包絡(luò)),應(yīng)當(dāng)通過檢波移除載波并將結(jié)果波形顯示在幅度對(duì)時(shí)間的示波器上。不過,取代在載波上檢測(cè)調(diào)制的思想,在矢量調(diào)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(diào)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(cè)”的。

圖16. 調(diào)制通過搬移載波頻率(fc) 至0 Hz 測(cè)量。當(dāng)數(shù)字LO 頻率等于調(diào)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(diào)制。

如圖16 所示,復(fù)調(diào)制載波信號(hào)以(V(t) = A(t)Cos[2πfct + ?(t)]) 表示,頻率fc 是用于頻率轉(zhuǎn)換的正交混頻器( 或正交檢測(cè)器) 的輸入。為恢復(fù)基帶調(diào)制信號(hào),首先通過設(shè)置LO 頻率為fc 將載波下變頻至基帶(0 Hz)。隨后基帶信號(hào)經(jīng)過低通濾波,只留下差頻。這個(gè)過程生成實(shí)部I(t) 和虛部Q(t) 時(shí)域波形,表示已調(diào)制載波信號(hào)與未調(diào)制LO 信號(hào)的幅度和相位差,以載波為參考。這是載波調(diào)制以I(t) 和Q(t) 分量( 直角坐標(biāo)) 表示的形式,而不是幅度A(t) 和相位?(t)。前面提到I-Q 解調(diào)執(zhí)行極坐標(biāo)—直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。不過,通過對(duì)I(t) 和Q(t) 分量應(yīng)用一些運(yùn)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(diào)制。

幅度調(diào)制AM 是載波幅度A(t) 隨時(shí)間的變化,由I(t) 和Q(t) 的平方和開平方根得出。

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

相位調(diào)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(diào)制FM 是相移對(duì)時(shí)間d?/dt 的導(dǎo)數(shù)。即,FM 是PM 的導(dǎo)數(shù):

PM = ?(t) = arctan[Q(t)/I(t)]
FM = PM 的導(dǎo)數(shù)= (d?/dt)

從I(t) 和Q(t) 開始,通過應(yīng)用基本三角恒等式,我們完成了載波的第一階解調(diào),能夠查看AM、PM 和FM 調(diào)制。實(shí)際中,VSA 軟件使用精密的解調(diào)算法再結(jié)合頻率和相位誤差校準(zhǔn)程序,可以精確地將有意和無(wú)意調(diào)制從載波上分離出來。模擬解調(diào)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(jié)

本文介紹了運(yùn)用在基于軟件的矢量信號(hào)分析中的矢量/ 數(shù)字調(diào)制技術(shù)和數(shù)字調(diào)制分析的基本原理。描述了數(shù)字( 矢量或I-Q) 調(diào)制和常見數(shù)字調(diào)制格式。VSA 架構(gòu)類似于數(shù)字通信系統(tǒng),因此我們也描述了無(wú)線接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的方框圖,介紹了生成、發(fā)射、接收以及恢復(fù)原始數(shù)字信息的過程。隨后,我們著眼于VSA 數(shù)字解調(diào)方框圖并描述了每個(gè)功能及正確解調(diào)信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量的相關(guān)解調(diào)參數(shù)。帶有矢量調(diào)制分析功能的VSA 提供強(qiáng)大的專業(yè)測(cè)量能力,允許你貫穿整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)( 系統(tǒng)使用I 和Q 信號(hào)) 的方框圖進(jìn)行表征和故障診斷。通過借鑒本章節(jié)內(nèi)容,針對(duì)你的通信系統(tǒng),你將更加明確地選擇所需的測(cè)量?jī)x器和必備工具?，F(xiàn)在,VSA 既可作為嵌入式專用軟件運(yùn)行在信號(hào)分析儀,示波器和邏輯分析儀上,也可作為獨(dú)立軟件與多種測(cè)量前端和仿真軟件兼容。

作者:孫燈亮

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