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。

圖 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。

圖7 顯示了 Agilent 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 Agilent 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

Agilent 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。

圖 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 )。

圖 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。

表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。

表 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 ?s) 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。

圖 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。

圖 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。

圖 11. QPSK 量圖和星座圖

矢量圖解釋

在 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

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。

圖 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。

圖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。

圖 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。

圖 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。

圖 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。

圖 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 + ?(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 ?(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

?(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 ?(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 d?/dt 的導數。即，FM 是 PM 的導數:

PM = ?(t) = arctan[Q(t)/I(t)]

FM = PM 的導數 = (d?/dt)

從 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。