矢量調(diào)制分析基礎

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部和虛部分量的復信號。

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)射機中的特殊問題進行故障診斷。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)為其復數(shù)分量(I-Q 波形)，之后你可以應用數(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數(shù)字數(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( 在本節(jié)后面討論) 可以顯示非常細微的信號變化，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際恢復的比特和有價值的誤差數(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，允許你進行頻率響應測量和群時延測量，或查看碼域結果。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)字通信標準，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 和射頻位置進行測量。不需要外部濾波、相關載波信號或符號時鐘計時信號。Agilent VSA 中的數(shù)字解調(diào)通用算法還允許你測量非標準格式的信號，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)器兩個術語含有硬件的意思，但是基于軟件的VSA ，實際上是基于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。

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。

基于具體的應用，數(shù)字調(diào)制可以同時或單獨改變幅度、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。不過在實際系統(tǒng)中，通常使用矢量調(diào)制( 又稱為復數(shù)調(diào)制或I-Q 調(diào)制) 作為替代。矢量調(diào)制是一種非常強大的調(diào)制方案，因為它可生成任意的載波相位和幅度。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立的分量( 正交)。在下面的討論中你將進一步了解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 平面中的虛線點在極坐標圖或矢量坐標圖中表示。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算，來表示這個點。這就是I-Q 調(diào)制的原理。

將載波放入到I-Q 平面預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上被解碼的比特碼型。狀態(tài)或符號在每個符號選擇計時瞬間( 接收機轉(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)字數(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數(shù)即每符號號比特數(shù)(bpsym) 由調(diào)制格式?jīng)Q定。例如，二進制相移鍵控(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)位置都應當顯示為單個的點。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)生擴散( 每個狀態(tài)周圍有分散的點呈現(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 比特數(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。

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。符號率十分重要因為它代表了傳輸信號時所需的帶寬。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—極坐標轉(zhuǎn)換的硬件或軟件實現(xiàn)。

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立的信號分量合并為單個復合信號，隨后同樣容易地再將這個復合信號分解為獨立的分量部分。以90° 分離的信號彼此之間呈直角或正交關系。I 和Q 信號的正交關系意味著這兩個信號是真正獨立的，它們是同一信號的兩個獨立分量。雖然Q 輸入的變化肯定會改變復合輸出信號，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)從復合I-Q調(diào)制輸入信號中恢復原始的I 和Q 基帶信號。

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LO 鎖相至發(fā)射機載頻。為了正確地恢復I 和Q 基帶分量必須要把接收機LO 鎖相至發(fā)射機載波( 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)學方法實現(xiàn)90° 相移。

從根本上講，I-Q 解調(diào)過程就是極坐標—直角坐標的轉(zhuǎn)換。通常如果沒有極坐標—直角坐標轉(zhuǎn)換，信息不能在極坐標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，因為它可提供簡單有效、功能強大的調(diào)制方法來生成、發(fā)射與恢復數(shù)字數(shù)據(jù)。I-Q 域中的調(diào)制信號具有很多優(yōu)勢:

1. I-Q 的實現(xiàn)提供一種生成復信號( 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。為生成復調(diào)制信號，只需產(chǎn)生信號的基帶I 和Q 分量