测量概念

现在已解释了一些数字调制基础和VSA 的系统原理，下一步是了解关于数字调制分析测量结果与用于系统故障诊断的轨迹轨迹显示。下面的例子显示了QPSK ( 正交相移键控) 的测量结果，调制信号的符号速率是50 ksym/s， α 等于0.35 的根升余弦基带滤波器。正交表示载波信号在相差90°的相位状态之间转换。信号以90° 为增量在45° 到135°、-45° 或-135° 变化。QPSK 有四个可用状态。每个状态分配一个0 ~ 3 的二进制值，这要求每个状态有2 个比特，也就是每符号两个比特。只要两个I 值和两个Q 值就可生成四种状态，同时满足双比特码元的要求。

矢量 ( 或IQ) 图

矢量示意图，通常更多地称为数字调制的IQ 图，显示了时间上各个时刻所恢复的复杂I-Q 基带信号。它显示了信号状态以及信号在符号之间移动时的跳变过程。从原点到矢量示意图上某个点绘制的矢量线对应着此刻的瞬时电压。

图11a 显示了前面提到的QPSK 调制信号的IQ 图示例。IQ 图显示了4 个理想的状态位置( 以十字表示)，分别是45°、135°、-45° 和-135°。还有已检测的符号和符号间的跳变。IQ 图给出了峰均电压比，它可用于确定放大器的压缩情况。

图11. QPSK 量图和星座图

矢量图解释

在I-Q 平面上查看信号时，记住你是在观察信号相对载波的幅度和相位。未调制的载波是相位参考(0°)。图11 中，每个检测的符号都是相对未调制载波以不同的幅度和相位进行调制，但频率与载波一致。如果检测到符号频率与未调制载波的不同，它的表象是信号相对未调制载波连续增加或减小相位似的移动。还有，数字调制属于三维测量，根据I ( 同相)/Q ( 正交)分量与时间的关系进行调制。而IQ 图仅是二维图，所以与I-Q 平面( 或CRT屏幕) 垂直的时间参数无法显示。

星座图

图11b 显示了与前面相同的QPSK 信号的星座图。星座图显示了与符号时钟同步的载波幅度和相位。这些测量点通常就是检测判断点，代表已检测的符号。它与I-Q 图类似，只是不显示状态间的跳变轨迹轨迹。

理想状态下，所有符号都应显示为单点，并集中在理想状态位置处( 以十字坐标显示)。理想状态是指信号没有误差时的符号位置。不过由于信号的损伤及其它调制误差会造成偏差，符号会分散在理想状态位置的周围。

89600B VSA 允许你在理想状态周围放置一个定义好的误差限制圈。显示的实际已检测符号与理想状态可以帮助您直观地了解信号质量。星座图有助于识别幅度不平衡、正交误差或相位噪声等信号损伤。

误差矢量幅度(EVM)

在数字通信系统中应用最为广泛的调制质量指标是误差矢量幅度(EVM)。误差矢量是指在给定时间的理想参考信号和所测信号之间的矢量差。参见图12。误差矢量是一个复参量，包含幅度和相位分量。不要将误差矢量幅度与幅度误差、误差矢量相位与相位误差相混淆。

图12. 误差矢量幅度(EVM); 实际测得的信号与理想参考信号的差异

EVM 定义为在符号时钟跳变时刻误差矢量的均方根(rms)。按照惯例EVM 通常归一化为最外面符号的幅度或符号平均功率的平方根。EVM 测量在有些通信标准中也称为相对星座误差(RCE)，各种相关数据结果对于任意

数字调制格式中影响信号的幅度和相位轨轨迹路的损伤都十分敏感。因此，EVM 是一种分析诊断通信系统基带、中频或射频部分中的故障的理想测量工具。

图13 是图12 中定义的调制质量测量的示例。误差矢量时间数据( 轨迹A) 是根据I-Q 测量信号和I-Q 参考信号上相应符号点计算出的误差矢量幅度。误差矢量频谱数据( 轨迹B) 显示了误差矢量时间数据的频谱。也就是说，误差矢量时间数据被加窗并FFT 以生成误差矢量频谱轨迹。这种格式能够揭示使得制载波偏离理想路径的多余信号的频谱成分。如果这些误差成分是确定的，它们会以频谱轨迹的形式显示在误差矢量频谱上。测量这些频谱，可以更深入地了解这些误差信号的本质与来源。频率峰值通常会对应方框图中某处的一个信号。I-Q 幅度误差( 轨迹C) 和I-Q 相位误差( 显示D) 显示了I-Q 测量信号和I-Q 参考信号间的误差。I-Q 幅度误差显示幅度误差，I-Q相位误差显示相位误差。

图13. 轨迹A ( 误差矢量时间) 显示了符号点处的误差矢量幅度。轨迹B ( 误差矢量频谱) 显示了误差矢量时间数据的频谱。轨迹C (IQ 幅度误差) 是测量IQ 波形和IQ 参考波形的幅度差。

轨迹D (IQ 相位误差) 是测量IQ 波形和IQ 参考波形的相位差。

符号表/ 误差汇总

符号表/ 误差汇总测量结果可能是数字解调最强大的工具了。你可以看到解调比特，以及所有解调符号的误差统计。例如，查看rms EVM 值可以帮助你快速评估调制精度。还有其它很多有价值的误差报告。图14 显示了前面使用的QPSK 信号的符号表/ 误差汇总数据。标记读数显示的是符号表中突出显示的比特对应的值，代表符号3，数值为2 (“10”的二进制值)。可以看出这个值与QPSK 调制所需的双比特码元一致。误差表显示了适用于QPSK 调制信号的统计数据与误差数据。其它误差值为其它格式所用。我们已经讨论了一些基本的调制测量，但还有很多定性显示和定量测量并未涉及。

图14. 符号表/ 误差汇总数据提供解调比特及所有已解调信息的误差统计。

模拟调制分析

矢量调制分析可以提供的另一种重要的测量工具是模拟调制分析。模拟调制产生AM、FM 和PM 解调结果，类似于调制分析的输出，允许你查看幅度、频率和相位特性对时间的关系。这些模拟调制分析能力增强了VSA 已有的数字调制分析功能，提供完整的分析数字通信系统的测量解决方案。例如，可使用模拟调制能力分析像FSK ( 频移键控) 这样的有意调制; 像相位噪声或AM-PM 转换这样的无意调制; 或者像频率或相位稳定或脉冲成形过程这种单脉冲信号参数。

解调信号的过程看上去挺复杂，但矢量调制和I-Q 调制过程的基础特性使得解调变得简单。前面提到的矢量或IQ 图( 图2 和11) 显示了调制载波相对未调制载波的瞬时幅度和相位，这有助于显示数字调制特性。不过它还提供了一个简单的方法来查看模拟调制信号特性，例如图15 所示的AM、PM 和FM 调制。未调制连续波(CW) 信号简单地显示为一个幅度与相位恒定的固定点。AM 信号的轨迹经过原点沿着固定线路，只有信号幅度发生改变。FM 信号的轨迹是以原点为中心的圆圈，瞬时频率偏差由相位变化率给出。PM 与FM 的轨迹类似，当然，相位的相对变化是关键参数。在矢量调制中，幅度和相位可同时改变，矢量轨迹会在幅度和相位上都发生变化。

图15. I-Q 示意图中I-Q 平面上的模拟调制特性。

传统上，为了查看载波调制波形( 调制包络)，应当通过检波移除载波并将结果波形显示在幅度对时间的示波器上。不过，取代在载波上检测调制的思想，在矢量调制中，我们将载波“搬移”或“下变频”到0 Hz 之后再在剩下的部分里查看调制。频移的直观图将显示利用基本三角恒等式载波上幅度和相位变化是如何被“检测”的。

图16. 调制通过搬移载波频率(fc) 至0 Hz 测量。当数字LO 频率等于调制载波频率时，正交检波器的输出 —I(t) 和Q(t) 时域波形 — 就是载波上的调制。

如图16 所示，复调制载波信号以(V(t) = A(t)Cos[2πfct + Ø(t)]) 表示，频率fc 是用于频率转换的正交混频器( 或正交检测器) 的输入。为恢复基带调制信号，首先通过设置LO 频率为fc 将载波下变频至基带(0 Hz)。随后基带信号经过低通滤波，只留下差频。这个过程生成实部I(t) 和虚部Q(t) 时域波形，表示已调制载波信号与未调制LO 信号的幅度和相位差，以载波为参考。这是载波调制以I(t) 和Q(t) 分量( 直角坐标) 表示的形式，而不是幅度A(t) 和相位Ø(t)。前面提到I-Q 解调执行极坐标—直角坐标的转换。不过，通过对I(t) 和Q(t) 分量应用一些运算和简单的三角恒等式，我们也能够获得瞬时幅度A(t) 或相位Ø(t) 这些载波上的变化。这就是AM 和PM 调制。

幅度调制AM 是载波幅度A(t) 随时间的变化，由I(t) 和Q(t) 的平方和开平方根得出。

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

相位调制PM 是相位Ø(t) 随时间的变化，等于[Q(t)/I(t)] 的反正切。频率调制FM 是相移对时间dØ/dt 的导数。即，FM 是PM 的导数:

PM = Ø(t) = arctan[Q(t)/I(t)]
FM = PM 的导数= (dØ/dt)

从I(t) 和Q(t) 开始，通过应用基本三角恒等式，我们完成了载波的第一阶解调，能够查看AM、PM 和FM 调制。实际中，VSA 软件使用精密的解调算法再结合频率和相位误差校准程序，可以精确地将有意和无意调制从载波上分离出来。模拟解调可使PM、FM 与AM 完全分离。同样地，AM 也可与PM、FM 完全分离。

总结

本文介绍了运用在基于软件的矢量信号分析中的矢量/ 数字调制技术和数字调制分析的基本原理。描述了数字( 矢量或I-Q) 调制和常见数字调制格式。VSA 架构类似于数字通信系统，因此我们也描述了无线接收机和发射机的方框图，介绍了生成、发射、接收以及恢复原始数字信息的过程。随后，我们着眼于VSA 数字解调方框图并描述了每个功能及正确解调信号并进行测量的相关解调参数。带有矢量调制分析功能的VSA 提供强大的专业测量能力，允许你贯穿整个数字系统( 系统使用I 和Q 信号) 的方框图进行表征和故障诊断。通过借鉴本章节内容，针对你的通信系统，你将更加明确地选择所需的测量仪器和必备工具。现在，VSA 既可作为嵌入式专用软件运行在信号分析仪，示波器和逻辑分析仪上，也可作为独立软件与多种测量前端和仿真软件兼容。

作者：孙灯亮

参考文献

[1]安捷伦.安捷伦矢量信号分析基础[G/DK].北京：安捷伦科技（中国）有限公司.2012.