前言

本文介紹 VSA 的矢量調制分析和數字調制分析測量能力。某些掃頻調諧頻譜分析儀也能通過使用另外的數字無線專用軟件來提供數字調制分析。然而，VSA 通常在調制格式和解調算法配置等方面提供更大的測量靈活性，并提供更多的數據結果和軌跡軌跡顯示。本文中描述的基本的數字調制分析概念也同樣適用于使用額外數字調制分析軟件的掃頻調諧分析儀。

VSA 真正的威力在于它測量和分析矢量調制信號和數字調制信號的能力。矢量調制分析是指測量具有實部和虛部分量的復信號。

矢量調制分析提供一個重要的測量工具就是模擬調制分析。例如，Agilent 89600B VSA 軟件提供了模擬調制分析，并且可以像調制分析儀一樣產生 AM、FM 和 PM 解調結果，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能力可以用來對數字通信發射機中的特殊問題進行故障診斷。例如，相位解調經常用于在特殊 LO 頻率上不穩定性問題的故障分析。

由于數字通信系統使用復信號 (I-Q 波形 )，所以需要使用矢量調制分析功能來測量數字調制信號。但是矢量調制分析還不足以測量今天復雜的數字調制信號。你還需要數字調制分析。數字調制分析用來將射頻調制載波信號解調為其復數分量 (I-Q 波形 )，之后你可以應用數字和可視化工具快速識別和定量分析 I-Q 波形的缺損。數字調制分析可以檢波和恢復數字數據比特。

數字解調還提供了調制質量測量。使用于 Agilent VSA 的技術 ( 在本節后面討論 ) 可以顯示非常細微的信號變化，并最終將其轉化為信號質量信息。而這些是傳統的調制質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制質量。VSA 提供傳統的顯示格式，例如 I-Q 矢量圖、星座圖、眼圖和網格圖。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據，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字調制格式類型。

VSA 的數字調制方案提供對多種數字通信標準，例如 GSM、EDG、W-CDMA和 cdma2000 以及其它數字調制格式，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。測量可能是連續載波或脈沖載波 ( 例如 TDMA)，可以貫穿整個數字通信系統方框圖，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 中的數字解調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字測量參數。

矢量調制和數字調制

我們先回顧一下矢量調制和數字調制。特別注意，雖然調制器和解調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 的軟件在執行調制 / 解調的。數字調制是無線、衛星和地面通信行業中使用的一個術語，指數字狀態由載波相對相位和 / 或幅度表示的一種調制。雖然我們討論的是數字調制，但是應記住這種調制并不是數字的，而真正是模擬的。調制是按照調制 ( 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。在數字調制中，基帶調制信號是數字式的，而調制過程不是數字的。

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圖 1. 在數字調制中，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，數字調制可以同時或單獨改變幅度、頻率和相位。這類調制可以通過傳統的模擬調制方案，例如幅度調制 (AM)、頻率調制 (FM) 或相位調制 (PM) 來完成。不過在實際系統中，通常使用矢量調制 ( 又稱為復數調制或 I-Q 調制 ) 作為替代。矢量調制是一種非常強大的調制方案，因為它可生成任意的載波相位和幅度。在這種調制方案中，基帶數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，以及數字系統使用它們的原因。

圖 2. 數字調制 I-Q 圖

理解和查看數字調制的簡單方法是使用圖2 所示的 I-Q 或矢量圖。在大多數數字通信系統中，載波頻率是固定的，因此只需考慮相位和幅度。未經調制的載波作為相位和頻率參考，根據調制信號與載波的關系來解釋調制信號。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，然后發射已編碼信息。每個位置或狀態 ( 或某些系統中狀態間的轉換 ) 代表某一個可在接收機上被解碼的比特碼型。狀態或符號在每個符號選擇計時瞬間 ( 接收機轉換信號時 ) 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字數據比特 ; 它們是所代表的數字消息的代號。每個符號號包含的比特數即每符號號比特數 (bpsym) 由調制格式決定。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，星座圖的每個狀態位置都應當顯示為單個的點。但由于系統會受到了各種損傷和噪聲的影響，會引起這些狀態發生擴散 ( 每個狀態周圍有分散的點呈現 )。圖3 顯示了 16 QAM 格式 (16 正交幅度度調制 ) 的星座圖或狀態圖 ; 注意，此時有 16 個可能的狀態位置。該格式使用 4 比特數據串，編碼為單個幅度度 / 相位狀態或符號號。為了產生這一調制格式，基于被傳輸的代碼，I 和 Q 載波都需采用 4 個不同的幅度度電平。

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圖 3. 星座圖中的每個位置或狀態代表一個具體的比特碼型 ( 符號號 ) 和符號號時間

在數字調制中，信號在有限數量的符號或狀態中移動。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 調制

在數字通信中，I-Q 調制將已編碼的數字 I 和 Q 基帶信息放入載波中。參見圖 4。I-Q 調制生成信號的 I 和 Q 分量 ; 從根本上講，它是直角坐標—極坐標轉換的硬件或軟件實現。

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圖 4. I-Q 調制

I-Q 調制接受 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 幅度度信息調制載波生成同相分量。Q 幅度度信息調制 90° ( 直角 ) 相移的載波生成正交分量。這兩種正交調制載波信號相加生成復合 I-Q 調制載波信號。I-Q 調制的主要優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

如圖5 所示，I-Q 解調是圖4 所示的 I-Q 調制的鏡像。I-Q 解調從復合 I-Q調制輸入信號中恢復原始的 I 和 Q 基帶信號。

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圖 5. I-Q 解調 ( 或正交檢測 )

解調過程的第一步是將接收機 LO 鎖相至發射機載頻。為了正確地恢復 I 和 Q 基帶分量必須要把接收機 LO 鎖相至發射機載波 ( 或混頻器 LO)。隨后，I-Q調制載波與未相移的 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，使用數學方法實現 90° 相移。

從根本上講，I-Q 解調過程就是極坐標—直角坐標的轉換。通常如果沒有極坐標—直角坐標轉換，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。這種轉換與 I-Q 解調器所執行的同相和正交混合過程完全一致。

為什么使用 I 和 Q ?

數字調制使用 I 和 Q 分量，因為它可提供簡單有效、功能強大的調制方法來生成、發射與恢復數字數據。I-Q 域中的調制信號具有很多優勢:

1. I-Q 的實現提供一種生成復信號 ( 相位和幅度均改變 ) 的方法幅度。I-Q 調制器不使用非線性，難實現的相位調制，而是簡單的對載波幅度度及其正交量進行線性調制。具有寬調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。為生成復調制信號，只需產生信號的基帶 I 和 Q 分量。I-Q 調制的一個關鍵優勢是調制算法可以生成從數字制式到射頻脈沖甚至線性調頻雷達等各種調制。
2. 信號的解調也同樣簡單明了。使用 I-Q 解調至少理論上可以輕松地恢復基帶信號。
3. 在 I-Q 平面上觀查信號經常能更好地洞察信號。串擾、數據偏移、壓縮以及AM-PM 失真等用其它方法難以呈現的現象在 I-Q 平面上可以輕松查看。

數字射頻通信系統

圖6 是一個通用的使用 I-Q 調制的數字射頻通信系統的基本架構的的簡化方框圖，通過對該系統基本概念的了解能更好地理解帶有矢量調制分析功能的 VSA 的工作情況。通信發射機和計算機的所有部分都可被帶有矢量調制分析的 VSA 測量并分析。還有，即使是該方框圖的軟件仿真也可被 VSA 分析，因為 VSA 只需要利用時間采樣數據。

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圖 6. 數字射頻通信系統的簡化方框圖。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出現。

數字通信發射機

通信發射機開始于語音編碼 ( 假設進行語音傳輸 )，即對模擬信號進行量化并轉化為數字數據 ( 數字化 ) 的過程。隨后，數據壓縮用于降低數據速率并提高頻譜效率。信道編碼和交織屬于常見技術，通過最小化噪聲與干擾的影響來改進信號完整性。額外的比特經常被用來進行誤差校準或者作為識別和均衡的訓練序列。這些技術還使與接收機的同步 ( 找尋符號時鐘 ) 更簡單。符號編碼器將串行比特流轉換為適當的 I 和 Q 基帶信號，對應具體的系統每個信號映射到 I-Q 平面上符號。符號時鐘代表各個符號傳輸的頻率和精確計時。當符號時鐘跳變時，發射載波在正確的 I-Q ( 或幅度 / 相位) 值上代表具體的符號 ( 星座圖的特定點 )。各個符號的時間間隔即為符號時鐘周期，其倒數是符號時鐘頻率。當符號時鐘與檢測符號的最佳瞬時同步時，符號時鐘相位是正確的符號。

一旦 I 和 Q 基帶信號生成后，它們會被過濾 ( 帶限 ) 以提高頻譜效率。未經過濾的無線數字調制器的輸出會占用非常寬的帶寬 ( 理論上是無限寬 )。這是因為調制器被基帶 I-Q 方波的快速跳變所驅動 ; 時域上的快速跳變等同于頻域上的寬頻譜。這種情況不可接受是因為它會減少其他用戶的可用頻譜并造成對鄰近用戶的信號干擾，稱之為鄰信道功率干擾。基帶濾波通過限制頻譜以及限制對其它信道的干擾解決了這一問題。實際上，濾波減緩了狀態之間的快速轉換，從而限制了頻譜。不過濾波也不是沒有缺點 ; 它會導致信號和數據傳輸性能的下降。

信號質量的下降是由于頻譜分量的減少、過沖以及濾波器時間 ( 脈沖 ) 響應引起的有限振鈴效應。頻譜分量減少了就會使信息丟失，從而可能導致接收機重建信號困難，甚至是不可重建的。濾波器的振鈴響應可能持續很久，以致影響到隨后的符號，并產生碼間串擾 (ISI)。ISI 定義為前后符號的多余能量干擾到當前的符號，導致接錯誤地解碼。濾波器的最佳選擇就成為頻譜效率和 ISI 的折衷。在數字通信設計中，有一款常用的特定類型的濾波器稱為Nyquist 濾波器。Nyquist 濾波器是一個理想的濾波器選擇，因為它能夠最使數據速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道帶寬需求。在本節后面的部分，你將會進一步了解這種濾波器。為了改進系統的整體性能，濾波器一般會在發射機和接收機之間共享或分配。在這種情況下，為了最小化 ISI，濾波器必須盡可能地匹配發射機和接收機并正確實現。圖6 僅顯示了一個基帶濾波器。但在實際中會用到兩個，I 和 Q 信道各有一個。

已過濾的 I 和 Q 基帶信號是 I-Q 調制器的輸入。調制器中的 LO 可能工作在中頻 (IF) 或直接工作在最終的無線射頻 (RF) 上。調制器的輸出是中頻 ( 或射頻 )上的兩個正交 I 和 Q 信號的合成。調制后，如果需要，信號會上變頻到射頻。再將任何多余的頻率過濾掉，最后信號送入到輸出放大器并傳輸。

數字通信接收機

接收機從本質上說是發射機的反向實現，但在設計上更為復雜。接收機首先把輸入的射頻信號下變頻為中頻信號，然后進行解調。解調信號和恢復原始數據的能力通常難度較大。發射信號經常被空氣噪聲、信號干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。

解調過程通常包括以下階段 : 載波頻率恢復 ( 載波鎖定 )、符號時鐘恢復( 符號鎖定 )、信號分解為 I 和 Q 分量 (I-Q 解調)、I 和 Q 符號檢測、比特解調和去交織 ( 解碼比特 )、解壓縮 ( 擴展至原始比特流 )，如果需要最后是數模轉換。

接收機與發射機的主要區別是需要恢復載波和符號時鐘。在接收機中，符號時鐘的頻率和相位 ( 或計時 ) 都必須正確，才可以成功地解調比特和恢復已發射信息。例如，符號時鐘的頻率設置正確，但相位錯誤。就是說如果符號時鐘與符號間的過度同步，而不是符號本身，解調將會失敗。

接收機設計的一項艱巨任務是建立載波和符號時鐘恢復算法。有些時鐘恢復技術包括測量調制幅度度變化、或者在帶有脈沖載波的系統中可以使用功率打開事件。當發射機的信道編碼提供訓練序列或同步比特時，這項任務便可以簡單些。