矢量调制分析基础知识（上）
前言
本文介绍 VSA 的矢量调制分析和数字调制分析测量能力。某些扫频调谐频谱分析仪也能通过使用另外的数字无线专用软件来提供数字调制分析。然而，VSA 通常在调制格式和解调算法配置等方面提供更大的测量灵活性，并提供更多的数据结果和轨迹轨迹显示。本文中描述的基本的数字调制分析概念也同样适用于使用额外数字调制分析软件的扫频调谐分析仪。
VSA 真正的威力在于它测量和分析矢量调制信号和数字调制信号的能力。矢量调制分析是指测量具有实部和虚部分量的复信号。
矢量调制分析提供一个重要的测量工具就是vwin 调制分析。例如，Agilent 89600B VSA 软件提供了模拟调制分析，并且可以像调制分析仪一样产生 AM、FM 和 PM 解调结果，允许你查看幅度、频率和相位随时间变化的曲线图。这些额外的模拟解调能力可以用来对数字通信发射机中的特殊问题进行故障诊断。例如，相位解调经常用于在特殊 LO 频率上不稳定性问题的故障分析。
由于数字通信系统使用复信号 (I-Q 波形 )，所以需要使用矢量调制分析功能来测量数字调制信号。但是矢量调制分析还不足以测量今天复杂的数字调制信号。你还需要数字调制分析。数字调制分析用来将射频调制载波信号解调为其复数分量 (I-Q 波形 )，之后你可以应用数字和可视化工具快速识别和定量分析 I-Q 波形的缺损。数字调制分析可以检波和恢复数字数据比特。
数字解调还提供了调制质量测量。使用于 Agilent VSA 的技术 ( 在本节后面讨论 ) 可以显示非常细微的信号变化，并最终将其转化为信号质量信息。而这些是传统的调制质量测量方法无法提供的。各种显示格式和能力用来查看基带信号特性并分析调制质量。VSA 提供传统的显示格式，例如 I-Q 矢量图、星座图、眼图和网格图。符号 / 误差汇总表显示了实际恢复的比特和有价值的误差数据，例如误差矢量幅度 (EVM)、幅度误差、相位误差、频率误差、rho 和 I-Q 偏置误差。其它显示格式，例如幅度 / 相位误差对时间、幅度 / 相位误差对频率或均衡，允许你进行频率响应测量和群时延测量，或查看码域结果。VSA 提供的显示格式和测量能力还有许多，这些仅仅是一部分代表。各种功能的可用性取决于分析能力以及将要测量的数字调制格式类型。
VSA 的数字调制方案提供对多种数字通信标准，例如 GSM、EDG、W-CDMA和 cdma2000 以及其它数字调制格式，比如 LTE、WLAN 和 WiMAX，包括 MIMO信号的测量支持。这些信号比我们在这里将要考察的简单信号复杂得多。测量可能是连续载波或脉冲载波 ( 例如 TDMA)，可以贯穿整个数字通信系统方框图，对基带、IF 和射频位置进行测量。不需要外部滤波、相关载波信号或符号时钟计时信号。Agilent VSA 中的数字解调通用算法还允许你测量非标准格式的信号，针对定制的测试和分析改变用户定义的数字测量参数。
矢量调制和数字调制
我们先回顾一下矢量调制和数字调制。特别注意，虽然调制器和解调器两个术语含有硬件的意思，但是基于软件的 VSA ，实际上是基于 DSP 的软件在执行调制 / 解调的。数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和 / 或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制 ( 基带 ) 信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见图 1。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。
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图 1. 在数字调制中，信息包含在载波的相对相位、频率或幅度中。
基于具体的应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案，例如幅度调制 (AM)、频率调制 (FM) 或相位调制 (PM) 来完成。不过在实际系统中，通常使用矢量调制 ( 又称为复数调制或 I-Q 调制 ) 作为替代。矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中，基带数字信息被分离成两个独立的分量 : I ( 同相 ) 和 Q ( 正交 ) 分量。这些 I 和 Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和 Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量 ( 正交 )。在下面的讨论中你将进一步了解 I 和 Q 分量，以及数字系统使用它们的原因。
图 2. 数字调制 I-Q 图
理解和查看数字调制的简单方法是使用图2 所示的 I-Q 或矢量图。在大多数数字通信系统中，载波频率是固定的，因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考，根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。相位和幅度可以作为 I-Q 平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见图 2。I 代表同相位 ( 相位参考 ) 分量，Q 代表正交 ( 与相位相差 90 °)分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算，来表示这个点。这就是 I-Q 调制的原理。
将载波放入到 I-Q 平面预先确定的某个位置上，然后发射已编码信息。每个位置或状态 ( 或某些系统中状态间的转换 ) 代表某一个可在接收机上被解码的比特码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间 ( 接收机转换信号时 ) 在 I-Q 平面的映射称为星座图。参见图 3。一个符号号代表一组数字数据比特 ; 它们是所代表的数字消息的代号。每个符号号包含的比特数即每符号号比特数 (bpsym) 由调制格式决定。例如，二进制相移键控 (BPSK) 使用 1 bpsym，正交相移键控 (QPSK) 使用 2 bpsym，而 8 相移键控 (8PSK) 使用 3bpsym。理论上，星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响，会引起这些状态发生扩散 ( 每个状态周围有分散的点呈现 )。图3 显示了 16 QAM 格式 (16 正交幅度度调制 ) 的星座图或状态图 ; 注意，此时有 16 个可能的状态位置。该格式使用 4 比特数据串，编码为单个幅度度 / 相位状态或符号号。为了产生这一调制格式，基于被传输的代码，I 和 Q 载波都需采用 4 个不同的幅度度电平。
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图 3. 星座图中的每个位置或状态代表一个具体的比特码型 ( 符号号 ) 和符号号时间
在数字调制中，信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多，给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号号
率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的 16 QAM 格式使用每符号号 4 比特的速率。如果无线传输速率为 16 Mbps，则符号率 = 16 (Mbps) 除以 4 比特即 4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽 (4 MHz 相对 16 MHz)。
I-Q 调制
在数字通信中，I-Q 调制将已编码的数字 I 和 Q 基带信息放入载波中。参见图 4。I-Q 调制生成信号的 I 和 Q 分量 ; 从根本上讲，它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。
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图 4. I-Q 调制
I-Q 调制接受 I 和 Q 基带信号作为输入，并将它们与相同的本地振荡器 (LO) 混合。注意，这个可能是数字 ( 软件 ) LO。下面，I 和 Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度度信息调制载波生成同相分量。Q 幅度度信息调制 90° ( 直角 ) 相移的载波生成正交分量。这两种正交调制载波信号相加生成复合 I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号，随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。以 90° 分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和 Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的，它们是同一信号的两个独立分量。虽然 Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号，但不会对 I 分量造成任何影响。同样地，I 输入的变化也不会影响到 Q 信号。
I/Q 解调
如图5 所示，I-Q 解调是图4 所示的 I-Q 调制的镜像。I-Q 解调从复合 I-Q调制输入信号中恢复原始的 I 和 Q 基带信号。
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图 5. I-Q 解调 ( 或正交检测 )
解调过程的第一步是将接收机 LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复 I 和 Q 基带分量必须要把接收机 LO 锁相至发射机载波 ( 或混频器 LO)。随后，I-Q调制载波与未相移的 LO 和相移 90° 的 LO 混合，生成原始的 I 和 Q 基带信号或分量。在 VSA 软件中，使用数学方法实现 90° 相移。
从根本上讲，I-Q 解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换，信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图 2。这种转换与 I-Q 解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。
为什么使用 I 和 Q ?
数字调制使用 I 和 Q 分量，因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。I-Q 域中的调制信号具有很多优势:
- I-Q 的实现提供一种生成复信号 ( 相位和幅度均改变 ) 的方法幅度。I-Q 调制器不使用非线性，难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到，基于基带和中频软件的 LO 也是。为生成复调制信号，只需产生信号的基带 I 和 Q 分量。I-Q 调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。
- 信号的解调也同样简单明了。使用 I-Q 解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。
- 在 I-Q 平面上观查信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及AM-PM 失真等用其它方法难以呈现的现象在 I-Q 平面上可以轻松查看。
数字射频通信系统
图6 是一个通用的使用 I-Q 调制的数字射频通信系统的基本架构的的简化方框图，通过对该系统基本概念的了解能更好地理解带有矢量调制分析功能的 VSA 的工作情况。通信发射机和计算机的所有部分都可被带有矢量调制分析的 VSA 测量并分析。还有，即使是该方框图的软件仿真也可被 VSA 分析，因为 VSA 只需要利用时间采样数据。
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图 6. 数字射频通信系统的简化方框图。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出现。
数字通信发射机
通信发射机开始于语音编码 ( 假设进行语音传输 )，即对模拟信号进行量化并转化为数字数据 ( 数字化 ) 的过程。随后，数据压缩用于降低数据速率并提高频谱效率。信道编码和交织属于常见技术，通过最小化噪声与干扰的影响来改进信号完整性。额外的比特经常被用来进行误差校准或者作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使与接收机的同步 ( 找寻符号时钟 ) 更简单。符号编码器将串行比特流转换为适当的 I 和 Q 基带信号，对应具体的系统每个信号映射到 I-Q 平面上符号。符号时钟代表各个符号传输的频率和精确计时。当符号时钟跳变时，发射载波在正确的 I-Q ( 或幅度 / 相位) 值上代表具体的符号 ( 星座图的特定点 )。各个符号的时间间隔即为符号时钟周期，其倒数是符号时钟频率。当符号时钟与检测符号的最佳瞬时同步时，符号时钟相位是正确的符号。
一旦 I 和 Q 基带信号生成后，它们会被过滤 ( 带限 ) 以提高频谱效率。未经过滤的无线数字调制器的输出会占用非常宽的带宽 ( 理论上是无限宽 )。这是因为调制器被基带 I-Q 方波的快速跳变所驱动 ; 时域上的快速跳变等同于频域上的宽频谱。这种情况不可接受是因为它会减少其他用户的可用频谱并造成对邻近用户的信号干扰，称之为邻信道功率干扰。基带滤波通过限制频谱以及限制对其它信道的干扰解决了这一问题。实际上，滤波减缓了状态之间的快速转换，从而限制了频谱。不过滤波也不是没有缺点 ; 它会导致信号和数据传输性能的下降。
信号质量的下降是由于频谱分量的减少、过冲以及滤波器时间 ( 脉冲 ) 响应引起的有限振铃效应。频谱分量减少了就会使信息丢失，从而可能导致接收机重建信号困难，甚至是不可重建的。滤波器的振铃响应可能持续很久，以致影响到随后的符号，并产生码间串扰 (ISI)。ISI 定义为前后符号的多余能量干扰到当前的符号，导致接错误地解码。滤波器的最佳选择就成为频谱效率和 ISI 的折衷。在数字通信设计中，有一款常用的特定类型的滤波器称为Nyquist 滤波器。Nyquist 滤波器是一个理想的滤波器选择，因为它能够最使数据速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道带宽需求。在本节后面的部分，你将会进一步了解这种滤波器。为了改进系统的整体性能，滤波器一般会在发射机和接收机之间共享或分配。在这种情况下，为了最小化 ISI，滤波器必须尽可能地匹配发射机和接收机并正确实现。图6 仅显示了一个基带滤波器。但在实际中会用到两个，I 和 Q 信道各有一个。
已过滤的 I 和 Q 基带信号是 I-Q 调制器的输入。调制器中的 LO 可能工作在中频 (IF) 或直接工作在最终的无线射频 (RF) 上。调制器的输出是中频 ( 或射频 )上的两个正交 I 和 Q 信号的合成。调制后，如果需要，信号会上变频到射频。再将任何多余的频率过滤掉，最后信号送入到输出放大器并传输。
数字通信接收机
接收机从本质上说是发射机的反向实现，但在设计上更为复杂。接收机首先把输入的射频信号下变频为中频信号，然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大。发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。
解调过程通常包括以下阶段 : 载波频率恢复 ( 载波锁定 )、符号时钟恢复( 符号锁定 )、信号分解为 I 和 Q 分量 (I-Q 解调)、I 和 Q 符号检测、比特解调和去交织 ( 解码比特 )、解压缩 ( 扩展至原始比特流 )，如果需要最后是数模转换。
接收机与发射机的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收机中，符号时钟的频率和相位 ( 或计时 ) 都必须正确，才可以成功地解调比特和恢复已发射信息。例如，符号时钟的频率设置正确，但相位错误。就是说如果符号时钟与符号间的过度同步，而不是符号本身，解调将会失败。
接收机设计的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。有些时钟恢复技术包括测量调制幅度度变化、或者在带有脉冲载波的系统中可以使用功率打开事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时，这项任务便可以简单些。
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