上回在《高性能信號(hào)記錄和回放解決方案》中介紹了使用便攜式信號(hào)分析儀FieldMaster Pro MS2090A如何在現(xiàn)場(chǎng)錄制并還原復(fù)雜調(diào)制信號(hào)。本文將從探討數(shù)字調(diào)制信號(hào)分析的基本定義開(kāi)始，介紹數(shù)字調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和分析過(guò)程以及分析方法，最后介紹如何使用安立提供的信號(hào)分析工具M(jìn)X280005A Vector Signal Analysis ，方便靈活的分析復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號(hào)的特征參數(shù)。

調(diào)制信號(hào)按照調(diào)制信號(hào)類(lèi)型分為模擬(電壓)和數(shù)字(編碼)兩種。不論是模擬調(diào)制還是數(shù)字調(diào)制信號(hào)分析，為了全面分析他們的各項(xiàng)參數(shù)，需要在不同測(cè)量域中分析。例如在頻域，分析信號(hào)的帶寬、諧波、功率等參數(shù)；在時(shí)域，分析信號(hào)的包絡(luò)特征、時(shí)間參數(shù)，抖動(dòng)等；在調(diào)制域，分析信號(hào)的幅度/相位誤差、誤碼率等參數(shù)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生(調(diào)制)和分析(解調(diào))離不開(kāi)I (In phase) 和 Q(Quadrature)，下面將對(duì)IQ的產(chǎn)生和分析做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

什么是IQ?

IQ調(diào)制是數(shù)字調(diào)制信號(hào)常用的實(shí)現(xiàn)方式。數(shù)字編碼是數(shù)字調(diào)制信號(hào)的調(diào)制對(duì)象，在調(diào)制前，需要將基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼[1]后輸出兩路正交的I和Q數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)過(guò)基帶濾波器(脈沖成形濾波器)，以及IQ調(diào)制器，將兩路并行的正交數(shù)字信號(hào)調(diào)制為一路串行的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DAC變換后，再上變頻到載波頻率并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射傳送出去。

圖1數(shù)字基帶IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖

經(jīng)過(guò)DAC后的基帶信號(hào)，具備了相位和幅度信息。類(lèi)似模擬調(diào)制，數(shù)字編碼的變化映射到矢量坐標(biāo)系中(正交IQ坐標(biāo))，用幅度、頻率和相位三個(gè)基本要素表征信號(hào)的特征。而頻率和相位，當(dāng)時(shí)間為變量時(shí)，也建立起來(lái)關(guān)系圖片得到調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式：

數(shù)字調(diào)制信號(hào)對(duì)信號(hào)的幅度、相位或頻率三要素的一種，或是多種同時(shí)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制信號(hào)不是變化幅度或者相位，就是幅度和相位一起變化。因此，在IQ坐標(biāo)中，數(shù)字基帶信號(hào)(編碼)的變化，會(huì)隨著編碼。

IQ坐標(biāo)分別用I實(shí)部(橫坐標(biāo))和Q虛部(縱坐標(biāo))表示，每個(gè)符號(hào)到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離表示幅度，與橫坐標(biāo)的夾角表示相位。I路和Q路信號(hào)疊加后的幅度和相位映射到圖上，形成符號(hào)的星座圖顯示。

圖 2 IQ坐標(biāo)(星座)表示基帶信號(hào)(符號(hào))的幅度、相位及頻率的變化

例如PSK(Phase ShiftKeying)調(diào)制僅僅調(diào)制相位而幅度保持不變。而QAM(Quadarture AmplitudeModulation)調(diào)制, 是幅度和相位同時(shí)變化，可以攜帶更多的編碼信息，16/32/64/256/1024/2056 QAM 等，實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)制，因此在移動(dòng)通信中較為常見(jiàn)。

圖 3 PSK和QAM調(diào)制典型的IQ星座圖

VSA通常采用基于軟件的接收機(jī)構(gòu)架。VSA將I/Q數(shù)據(jù)重新采樣，還原出信號(hào)的幅度，相位/頻率信息。并根據(jù)所測(cè)量的信號(hào)參數(shù)，內(nèi)建出標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)進(jìn)行比較測(cè)量，得到EVM等關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 信號(hào)接收機(jī)結(jié)構(gòu)和VSA框架 (綠色)

調(diào)制域分析

數(shù)字調(diào)制信號(hào)的調(diào)制域分析，在不同的觀(guān)測(cè)坐標(biāo)系中，可以得到比特、符號(hào)、信道等特征參量。例如在星座圖(Constellation)中從IQ坐標(biāo)映射觀(guān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)特性，例如信道失真(符號(hào)串?dāng)_，疊加噪聲等)，以及I/Q基帶失真(增益、相位、符號(hào)偏移等)。

圖5 星座圖IQ基帶和信道失真參數(shù) (上)

VSA通過(guò)輸入的信號(hào)參數(shù)，內(nèi)建標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，與輸入信號(hào)(數(shù)字I/Q)作比較，得到和參考信號(hào)在相位(頻率)和幅度上的誤差，稱(chēng)之為EVM (ErrorVector Magnitude, 矢量誤差)，一般用dB或者%表示。EVM不僅能夠表征發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，也可以用來(lái)評(píng)估信號(hào)傳播路徑所疊加的噪聲，以及干擾造成的影響。如下圖所示，藍(lán)色為實(shí)際發(fā)射信號(hào)的矢量坐標(biāo)，綠色為參考信號(hào)矢量坐標(biāo)，將兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)相連的紅線(xiàn)，表示它們之間的誤差矢量，包括幅度和相位。

圖6  EVM在IQ坐標(biāo)中表示及EVM的表示方法

將IQ映射到符號(hào)周期和幅度坐標(biāo)中，就形成了眼圖(Eye Diagram)。通過(guò)眼圖可以觀(guān)察碼間串?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而估計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)劣程度。特別對(duì)與高速互聯(lián)系統(tǒng)信號(hào)完整性分析十分重要。同時(shí)，使用眼圖，也能夠?qū)邮諡V波器的特性加以調(diào)制，以減小碼間串?dāng)_，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

圖 7(a) 眼圖的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)

圖 7(b) 眼圖對(duì)于系統(tǒng)性能的優(yōu)劣評(píng)估

(上為2-PSK無(wú)干擾；下為信道疊加多徑干擾后的眼圖)

還有一種常用的測(cè)試為格柵圖(Trellisdiagram)，是將符號(hào)映射到相位坐標(biāo)中(wiped phase), 給出符號(hào)到符號(hào)之間的相位變化。Trellis圖顯示特別適用于排查在I/Q調(diào)制器或者映射算法中是否存在丟失的轉(zhuǎn)換、代碼或者盲點(diǎn)。

圖8 VSA軟件中給出的π/4 DQPSK Trellis 圖

安立VSA工具軟件包

安立VSA MX280005A提供多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字調(diào)制類(lèi)型，特別是內(nèi)置了多種常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)類(lèi)型，例如DVB(S/S2)、TETRA等，簡(jiǎn)化了解調(diào)參數(shù)設(shè)置。

靈活的數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式。VSA工具包MX280005A軟件，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)和MS2090A連接，不僅支持在線(xiàn)IQ數(shù)據(jù)讀取和分析，通過(guò)外置U盤(pán)，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)I/Q分析，方便遠(yuǎn)程技術(shù)分析支持。

圖 9 VSA和MS2090A連接方式

VSA內(nèi)置靈活的參數(shù)設(shè)置，用來(lái)描述被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的特征。針對(duì)信號(hào)調(diào)制方式，濾波器類(lèi)型，幀結(jié)構(gòu)，時(shí)隙長(zhǎng)度，關(guān)鍵字搜索和同步條件等做詳細(xì)的設(shè)置。對(duì)于內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)類(lèi)型，VSA預(yù)置了常規(guī)的設(shè)置，方便使用。

圖10 信號(hào)參數(shù)設(shè)置及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)預(yù)設(shè)值(Tetra)

VSA工具包提供多種分析功能，例如星座圖、眼圖、I/Q相位和幅度誤差….VSA支持在線(xiàn)和離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析。通過(guò)千兆以太網(wǎng)口與MS2090A建立連接，實(shí)時(shí)控制MS2090A的設(shè)置參數(shù)，并自動(dòng)讀取I/Q數(shù)據(jù)到PC進(jìn)行在線(xiàn)分析。

圖11 VSA支持多種分析功能及多種顯示結(jié)果顯示 (π/4 DQPSK)

總結(jié)

I/Q數(shù)字信號(hào)，是建立在數(shù)字和射頻模擬量之間的橋梁。安立公司在高性能信號(hào)分析儀MS2090A平臺(tái)上，加入了對(duì)數(shù)字調(diào)制信號(hào)的IQ捕獲，并可配合VSA工具包軟件分析捕獲的IQ數(shù)字信號(hào)?？捎糜趯?shí)驗(yàn)室，甚至外場(chǎng)對(duì)發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，以及傳輸信道干擾進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的評(píng)估，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。