本應(yīng)用指南的第一部分介紹了矢量信號(hào)分析(VSA) 的初步知識(shí)，并討論 了矢量信號(hào)分析測(cè)量的概念和操作理論。該部分還描述了矢量信號(hào)分析的頻域，通過(guò)快速傅立葉變換(FFT) 分析實(shí)現(xiàn)的頻譜分析測(cè)量能力。今天我們將介紹矢量信號(hào)分析的矢量調(diào)制分析和數(shù)字調(diào)制分析測(cè)量能力。某些掃頻調(diào)諧頻譜分析儀也能通過(guò)使用另外的數(shù)字無(wú)線專用軟件來(lái)提供數(shù)字調(diào)制分析。然而，矢量信號(hào)分析 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(cè)量靈活性，并提供更多的數(shù)據(jù)結(jié)果和軌跡軌跡顯示。本章中描述的基本的數(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。

矢量信號(hào)分析真正的威力在于它測(cè)量和分析矢量調(diào)制信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)的能力。矢量調(diào)制分析是指測(cè)量具有實(shí)部和虛部分量的復(fù)信號(hào)。

矢量調(diào)制分析提供一個(gè)重要的測(cè)量工具就是模擬調(diào)制分析。例如， Keysight 89600 矢量信號(hào)分析軟件提供了模擬調(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(jié)果，允許你查看幅度、頻率和相位隨時(shí)間變化的曲線圖。這些額外的模擬解調(diào)能力可以用來(lái)對(duì)數(shù)字通信發(fā)射機(jī)中的特殊問(wèn)題進(jìn)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(wèn)題的故障分析。

由于數(shù)字通信系統(tǒng)使用復(fù)信號(hào) ( I-Q 波形)，所以需要使用矢量調(diào)制分析功能來(lái)測(cè)量數(shù)字調(diào)制信號(hào)。但是矢量調(diào)制分析還不足以測(cè)量今天復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。你還需要數(shù)字調(diào)制分析。數(shù)字調(diào)制分析用來(lái)將射頻調(diào)制載波信號(hào)解調(diào)為其復(fù)數(shù)分量( I-Q 波形)，之后你可以應(yīng)用數(shù)字和可視化工具快速識(shí)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(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比特。

數(shù)字解調(diào)還提供了調(diào)制質(zhì)量測(cè)量。使用于Keysight 矢量信號(hào)分析的技術(shù)( 在本節(jié)后面討論) 可以顯示非常細(xì)微的信號(hào)變化，并最終將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)質(zhì)量信息。而這些是傳統(tǒng)的調(diào)制質(zhì)量測(cè)量方法無(wú)法提供的。各種顯示格式和能力用來(lái)查 看基帶信號(hào)特性并分析調(diào)制質(zhì)量。矢量信號(hào)分析提供傳統(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(hào)/ 誤差匯總表顯示了實(shí)際恢復(fù)的比特和有價(jià)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(duì)時(shí)間、幅度/ 相位誤差對(duì)頻率或均衡，允許你進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)量和群時(shí)延測(cè)量，或查看碼域 結(jié)果。矢量信號(hào)分析 提供的顯示格式和測(cè)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(cè)量的數(shù)字調(diào)制格式類型。

矢量信號(hào)分析的數(shù)字調(diào)制方案提供對(duì)多種數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)，包括 MIMO 信號(hào)的測(cè)量支持。這些信號(hào)比我們?cè)谶@里將要考察的簡(jiǎn)單信號(hào)復(fù)雜得多。測(cè)量可能是連續(xù)載波或脈沖載波，可以貫穿整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖，對(duì)基帶、IF 和射頻位置進(jìn)行測(cè)量。不需要外部濾波、相關(guān)載波信號(hào)或符號(hào)時(shí)鐘計(jì)時(shí)信號(hào)。Keysight 矢量信號(hào)分析中的數(shù)字解調(diào)通用算法還允許你測(cè)量非標(biāo)準(zhǔn)格式的信號(hào)，針對(duì)定制的測(cè)試和分析改變用戶定義的數(shù)字測(cè)量參數(shù)。

本章接下來(lái)的部分將介紹其它一些概念，幫助你更好地理解矢量調(diào)制分析、數(shù)字調(diào)制分析和模擬調(diào)制分析。

矢量調(diào)制和數(shù)字調(diào)制概況

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(gè)術(shù)語(yǔ)含有硬件的意思，但是基于軟件的矢量信號(hào)分析，實(shí)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(wú)線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個(gè) 術(shù)語(yǔ)，指數(shù)字狀態(tài)由載波相對(duì)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(yīng)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(hào)的幅度變化成比例地改變載波的幅度、頻率或相位。參見(jiàn)圖12。在數(shù)字調(diào)制中，基帶調(diào)制信號(hào)是數(shù)字式的，而調(diào)制過(guò)程不是數(shù)字的。

圖12. 在數(shù)字調(diào)制中，信息包含在載波的相對(duì)相位、頻率或幅度中

基于具體的應(yīng)用，數(shù)字調(diào)制可以同時(shí)或單獨(dú)改變幅度、頻率和相位。這類調(diào)制可以通過(guò)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(lái)完成。不過(guò)在實(shí)際系統(tǒng)中，通常使用矢量調(diào)制( 又稱為復(fù)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(qiáng)大的調(diào)制方案，因?yàn)樗缮扇我獾妮d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(gè)獨(dú)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(hào)。I 和Q 分量最重要的特性是它們是獨(dú)立的分量( 正交)。在下面的討論中你將進(jìn)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13. 數(shù)字調(diào)制I-Q 圖

理解和查看數(shù)字調(diào)制的簡(jiǎn)單方法是使用圖13 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(hào)與載波的關(guān)系來(lái)解釋調(diào)制信號(hào)。相位和幅度可以作為 I-Q 平面中的虛線點(diǎn)在極坐標(biāo)圖或矢量坐標(biāo)圖中表示。參見(jiàn)圖13。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(yùn)算，來(lái)表示這個(gè)點(diǎn)。這就是 I-Q 調(diào)制的原理。

將載波放入到 I-Q 平面預(yù)先確定的某個(gè)位置上，然后發(fā)射已編碼信息。每個(gè)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(gè)可在接收機(jī)上被解碼的比特碼型。狀態(tài)或符號(hào)在每個(gè)符號(hào)選擇計(jì)時(shí)瞬間( 接收機(jī)轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)) 在I-Q 平面的映射稱為星座圖。參見(jiàn)圖14。一個(gè)符號(hào)號(hào)代表一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比特; 它們是所代表的數(shù)字消息的代號(hào)。每個(gè)符號(hào)號(hào)包含的比特?cái)?shù)即每符號(hào)號(hào)比特?cái)?shù)(bpsym) 由調(diào)制格式?jīng)Q定。例如，二進(jìn)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3 bpsym。理論上，星座圖的每個(gè)狀態(tài)位置都應(yīng)當(dāng)顯示為單個(gè)的點(diǎn)。但由于系統(tǒng)會(huì)受到了各種損傷和噪聲的影響，會(huì)引起這些狀態(tài)發(fā)生擴(kuò)散( 每個(gè)狀態(tài)周圍有分散的點(diǎn)呈現(xiàn))。圖14 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(shí)有16 個(gè)可能的狀態(tài)位置。該格式使用4 比特?cái)?shù)據(jù)串， 編碼為單個(gè)幅度度/ 相位狀態(tài)或符號(hào)號(hào)。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(gè)不同的幅度度電平。

圖14. 星座圖中的每個(gè)位置或狀態(tài)代表一個(gè)具體的比特碼型( 符號(hào)號(hào) ) 和符號(hào)號(hào)時(shí)間

在數(shù)字調(diào)制中，信號(hào)在有限數(shù)量的符號(hào)或狀態(tài)中移動(dòng)。載波在星座圖各點(diǎn)間移動(dòng)的速率稱為符號(hào)率。使用的星座狀態(tài)越多，給定比特率所需的符號(hào)率就越低。符號(hào)率十分重要因?yàn)樗砹藗鬏斝盘?hào)時(shí)所需的帶寬。符號(hào)號(hào)率越低，傳輸所需的帶寬就越小。例如，前面提到過(guò)的16 QAM 格式使用每符號(hào)號(hào) 4 比特的速率。如果無(wú)線傳輸速率為16 Mbps，則符號(hào)率= 16 (Mbps) 除以 4 比特即 4 MHz。此時(shí)提供的符號(hào)號(hào)率是比特率的四分之一和一個(gè)更高效的傳輸帶寬 ( 4 MHz 相對(duì)16 MHz)。關(guān)于數(shù)字調(diào)制的更多信息，參見(jiàn)本應(yīng)用指南結(jié)尾處的其它資源。

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(jiàn)圖15。I-Q 調(diào)制生成信號(hào)的 I 和 Q 分量; 從根本上講，它是直角坐標(biāo)—極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。

圖15. I-Q 調(diào)制

I-Q 調(diào)制接受 I 和Q 基帶信號(hào)作為輸入，并將它們與相同的本地振蕩器 (LO) 混合。注意，這個(gè)可能是數(shù)字( 軟件) LO。下面，I 和 Q 均會(huì)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(hào)相加生成復(fù)合 I-Q 調(diào)制載波信號(hào)。I-Q 調(diào)制的主要優(yōu)勢(shì)是可以容易地將獨(dú)立的信號(hào)分量合并為單個(gè)復(fù)合信號(hào)，隨后同樣容易地再將這個(gè)復(fù)合信號(hào)分解為獨(dú)立的分量部分。

以 90° 分離的信號(hào)彼此之間呈直角或正交關(guān)系。I 和 Q 信號(hào)的正交關(guān)系意味著這兩個(gè)信號(hào)是真正獨(dú)立的，它們是同一信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立分量。雖然Q 輸入的變化肯定會(huì)改變復(fù)合輸出信號(hào)，但不會(huì)對(duì)I 分量造成任何影響。同樣地， I 輸入的變化也不會(huì)影響到Q 信號(hào)。

I/Q 解調(diào)

如圖16 所示，I-Q 解調(diào)是圖15 所示的I-Q 調(diào)制的鏡像。I-Q 解調(diào)從復(fù)合 I-Q 調(diào)制輸入信號(hào)中恢復(fù)原始的I 和Q 基帶信號(hào)。

圖16. I-Q 解調(diào)( 或正交檢測(cè))

解調(diào)過(guò)程的第一步是將接收機(jī) LO 鎖相至發(fā)射機(jī)載頻。為了正確地恢復(fù) I 和 Q 基帶分量必須要把接收機(jī) LO 鎖相至發(fā)射機(jī)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(hào)或分量。在矢量信號(hào)分析軟件中，使用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)90° 相移。

從根本上講，I-Q 解調(diào)過(guò)程就是極坐標(biāo)—直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。通常如果沒(méi)有極坐標(biāo)—直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，信息不能在極坐標(biāo)格式上繪制并重解釋為直角值。參見(jiàn)圖13。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(guò)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?yàn)樗商峁┖?jiǎn)單有效、功能強(qiáng)大的調(diào)制方法來(lái)生成、發(fā)射與恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。I-Q 域中的調(diào)制信號(hào)具有很多優(yōu)勢(shì) :

1. I-Q 的實(shí)現(xiàn)提供一種生成復(fù)信號(hào)( 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(shí)現(xiàn)的相位調(diào)制，而是簡(jiǎn)單的對(duì)載波幅度度及其正交量進(jìn)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(fù)調(diào)制信號(hào)，只需產(chǎn)生信號(hào)的基帶 I 和 Q 分量。I-Q 調(diào)制的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是調(diào)制算法可以生成從數(shù)字制式到射頻脈沖甚至線性調(diào)頻雷達(dá)等各種調(diào)制。

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3. 信號(hào)的解調(diào)也同樣簡(jiǎn)單明了。使用 I-Q 解調(diào)至少理論上可以輕松地恢復(fù)基帶信號(hào)。

4. 在 I-Q 平面上觀查信號(hào)經(jīng)常能更好地洞察信號(hào)。串?dāng)_、數(shù)據(jù)偏移、壓縮以及 AM-PM 失真等用其它方法難以呈現(xiàn)的現(xiàn)象在 I-Q 平面上可以輕松查看。

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數(shù)字射頻通信系統(tǒng)概念

圖17 是一個(gè)通用的使用 I-Q 調(diào)制的數(shù)字射頻通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)的的簡(jiǎn)化方框圖，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)基本概念的了解能更好地理解帶有矢量調(diào)制分析功能的矢量信號(hào)分析 的工作情況。通信發(fā)射機(jī)和計(jì)算機(jī)的所有部分都可被帶有矢量調(diào)制分析的矢量信號(hào)分析測(cè)量并分析。還有，即使是該方框圖的軟件仿真也可被矢量信號(hào)分析分析因?yàn)槭噶啃盘?hào)分析只需要利用時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。

圖17. 數(shù)字射頻通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出現(xiàn)。

什么是發(fā)射機(jī)- 數(shù)字通信發(fā)射機(jī)概念

通信發(fā)射機(jī)開(kāi)始于語(yǔ)音編碼( 假設(shè)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸)，即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化并轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)( 數(shù)字化) 的過(guò)程。隨后，數(shù)據(jù)壓縮用于降低數(shù)據(jù)速率并提高頻譜效率。信道編碼和交織屬于常見(jiàn)技術(shù)，通過(guò)最小化噪聲與干擾的影 響來(lái)改進(jìn)信號(hào)完整性。額外的比特經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)或者作為識(shí)別和 均衡的訓(xùn)練序列。這些技術(shù)還使與接收機(jī)的同步( 找尋符號(hào)時(shí)鐘) 更簡(jiǎn)單。符號(hào)編碼器將串行比特流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)?I 和 Q 基帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)具體的系統(tǒng)每個(gè)信號(hào)映射到 I-Q 平面上符號(hào)。符號(hào)時(shí)鐘代表各個(gè)符號(hào)傳輸?shù)念l率和精確計(jì)時(shí)。當(dāng)符號(hào)時(shí)鐘跳變時(shí)，發(fā)射載波在正確的 I-Q ( 或幅度/ 相位 ) 值上代表具體的符號(hào)( 星座圖的特定點(diǎn))。各個(gè)符號(hào)的時(shí)間間隔即為符號(hào)時(shí)鐘周期，其倒數(shù)是符號(hào)時(shí)鐘頻率。當(dāng)符號(hào)時(shí)鐘與檢測(cè)符號(hào)的最佳瞬時(shí)同步時(shí)，符號(hào)時(shí)鐘相位是正確的符號(hào)。

一旦 I 和Q 基帶信號(hào)生成后，它們會(huì)被過(guò)濾( 帶限) 以提高頻譜效率。未經(jīng)過(guò)濾的無(wú)線數(shù)字調(diào)制器的輸出會(huì)占用非常寬的帶寬( 理論上是無(wú)限寬)。這是因?yàn)檎{(diào)制器被基帶 I-Q 方波的快速跳變所驅(qū)動(dòng); 時(shí)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?yàn)樗鼤?huì)減少其他用戶的可用頻譜并造成對(duì)鄰近用戶的信號(hào)干擾，稱之為鄰信道功率干擾?；鶐V波通過(guò)限制頻譜以及限制對(duì)其它信道的干擾解決了這一問(wèn)題。實(shí)際上，濾波減緩了狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，從而限制了頻譜。不過(guò)濾波也不是沒(méi)有缺點(diǎn); 它會(huì)導(dǎo)致信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸性能的下降。

信號(hào)質(zhì)量的下降是由于頻譜分量的減少、過(guò)沖以及濾波器時(shí)間 ( 脈沖) 響應(yīng)引起的有限振鈴效應(yīng)。頻譜分量減少了就會(huì)使信息丟失，從而可能導(dǎo)致接收機(jī)重建信號(hào)困難，甚至是不可重建的。濾波器的振鈴響應(yīng)可能持續(xù)很久， 以致影響到隨后的符號(hào)，并產(chǎn)生碼間串?dāng)_ (ISI)。ISI 定義為前后符號(hào)的多余能量干擾到當(dāng)前的符號(hào)，導(dǎo)致接錯(cuò)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(shù)字通信設(shè)計(jì)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(gè)理想的濾波器選擇，因?yàn)樗軌蜃钍箶?shù)據(jù)速率最大化而且最小化ISI 并限制信道帶寬需求。在本節(jié)后面的部分，你將會(huì)進(jìn)一步了解這種濾波器。為了改進(jìn)系統(tǒng)的整體性能，濾波器一般會(huì)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)并正確實(shí)現(xiàn)。圖17 僅顯示了一個(gè)基帶濾波器。但在實(shí)際中會(huì)用到兩個(gè)，I 和 Q 信道各有一個(gè)。

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

什么是接收機(jī) - 數(shù)字通信接收機(jī)概念

接收機(jī)從本質(zhì)上說(shuō)是發(fā)射機(jī)的反向?qū)崿F(xiàn)，但在設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜。接收機(jī)首先把輸入的射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)，然后進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)信號(hào)和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的能力通常難度較大。發(fā)射信號(hào)經(jīng)常被空氣噪聲、信號(hào)干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。

解調(diào)過(guò)程通常包括以下階段: 載波頻率恢復(fù)( 載波鎖定)、符號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)( 符號(hào)鎖定)、信號(hào)分解為 I 和 Q 分量( I-Q 解調(diào) )、I 和Q 符號(hào)檢測(cè)、比特解調(diào)和去交織( 解碼比特)、解壓縮( 擴(kuò)展至原始比特流)，如果需要最后是數(shù)模轉(zhuǎn)換。

接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的主要區(qū)別是需要恢復(fù)載波和符號(hào)時(shí)鐘。在接收機(jī)中， 符號(hào)時(shí)鐘的頻率和相位( 或計(jì)時(shí)) 都必須正確，才可以成功地解調(diào)比特和恢復(fù)已發(fā)射信息。例如，符號(hào)時(shí)鐘的頻率設(shè)置正確，但相位錯(cuò)誤。就是說(shuō)如果符號(hào)時(shí)鐘與符號(hào)間的過(guò)度同步，而不是符號(hào)本身，解調(diào)將會(huì)失敗。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)艱巨任務(wù)是建立載波和符號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)算法。有些時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)包括測(cè)量調(diào)制幅度度變化、或者在帶有脈沖載波的系統(tǒng)中可以使用功率打開(kāi)事件。當(dāng)發(fā)射機(jī)的信道編碼提供訓(xùn)練序列或同步比特時(shí)，這項(xiàng)任務(wù)便可以簡(jiǎn)單些。

矢量信號(hào)分析數(shù)字調(diào)制分析概念和工作原理

矢量信號(hào)分析 可被看作是基于軟件的測(cè)量接收機(jī)。它實(shí)際上是在數(shù)字調(diào)制解碼時(shí)采用與大多數(shù)數(shù)字無(wú)線接收機(jī)相似技術(shù)的I-Q 接收機(jī)。不同的是，矢量信號(hào)分析軟件專為高精度參數(shù)測(cè)量和調(diào)制特性顯示而設(shè)計(jì)。還有，矢量信號(hào)分析是能夠測(cè)量和分析數(shù)字通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)系統(tǒng)幾乎所有方面的測(cè)量工具。

圖18. 帶有射頻前端的矢量信號(hào)分析測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。對(duì)于其它前端，矢量信號(hào)分析軟件將執(zhí)行所給前端不支持的功能。

圖 18 顯示了Keysight 89600 矢量信號(hào)分析的簡(jiǎn)化系統(tǒng)方框圖。你可能注意到系統(tǒng)方框中的許多部分與圖 17 所示的數(shù)字通信接收機(jī)的類似。通過(guò)幾個(gè)階段的超外差式混頻將射頻輸入信號(hào)下變頻為能被ADC 精確數(shù)字化的中頻信號(hào)。有多種不同類型的前端都可完成這個(gè)過(guò)程。有的比如信號(hào)分析儀提供射頻信號(hào)檢測(cè)和中頻數(shù)字化。其它的像示波器和邏輯分析儀則提供完全數(shù)字化的基帶信號(hào)。 矢量信號(hào)分析所需的輸入是經(jīng)過(guò)數(shù)字化的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。隨后，對(duì)這個(gè)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行矢量 ( 正交) 檢測(cè)和數(shù)字過(guò)濾; 如果需要，將其最后一次下變頻為 I 和 Q 基帶信號(hào)格式 (I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)) 并存儲(chǔ)在 RAM 中。接著就是使用 DSP 算法解調(diào)這個(gè)信號(hào); 恢復(fù)載波和符號(hào)時(shí)鐘并應(yīng)用重建濾波和解碼( 恢復(fù)原始比特)。幾乎任何一種調(diào)制格式都可被這個(gè) DSP 軟件解調(diào)。

矢量信號(hào)分析的實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收機(jī)不同，矢量信號(hào)分析處理采樣的信號(hào)是基于樣本塊; 而無(wú)線接收機(jī)是實(shí)時(shí)串行串行數(shù)據(jù)。當(dāng)為矢量信號(hào)分析 軟件提供無(wú)線接收機(jī)參數(shù)時(shí)，它可以通過(guò)DSP 的處理過(guò)程合成這個(gè)接收機(jī)。它能夠提供接收機(jī)的全部功能，甚至包括生成模擬波形。因?yàn)樾盘?hào)實(shí)際上是數(shù)字化的，它可被后期處理并在時(shí)域、頻域或調(diào)制域的任何域中查看。

矢量信號(hào)分析數(shù)字解調(diào)

矢量信號(hào)分析中數(shù)字解調(diào)過(guò)程的核心是數(shù)字解調(diào)。圖19 顯示了 Keysight 89600 所使用的數(shù)字解調(diào)算法的簡(jiǎn)化方框圖。數(shù)字解調(diào)算法提供通用解調(diào)，僅需輸入信號(hào)很少的先驗(yàn)信息即可執(zhí)行解調(diào)，并適用于非常廣泛的調(diào)制格式。解調(diào)器提供載波鎖定、符號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)和比特恢復(fù)( 對(duì)實(shí)際已編碼的 1 和 0 進(jìn)行解碼)， 并生成 I-Q 測(cè)量波形。解調(diào)器還能產(chǎn)生理想的 I-Q 波形，這些波形由真實(shí)的已恢復(fù)比特( 稱為 I-Q 參考波形) 合成。I-Q 測(cè)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(diào)制質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)果，該結(jié)果可以通過(guò)各種數(shù)據(jù)格式和顯示輸出進(jìn)行查看。

解調(diào)過(guò)程從配置矢量信號(hào)分析 基于軟件的解調(diào)器開(kāi)始。解調(diào)算法必須根據(jù)特定的數(shù)字調(diào)制格式進(jìn)行配置，以恰當(dāng)?shù)亟庹{(diào)和分析信號(hào)。大多數(shù)分析選件提供一組標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)值，例如GSM、W-CDMA、cdma2000 或802.11a/b/g，可自動(dòng)配置解調(diào)器。在這些情況下，輸入中心頻率并選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)置，軟件就可以解調(diào)信號(hào)。

靈活配制或用戶定義的解調(diào)

Keysight 89600 矢量信號(hào)分析軟件通過(guò)一個(gè)通用的、用戶可定義的解調(diào)器提供更多額外功能。它允許針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)格式或故障診斷定制解調(diào)器配置。圖19 的解調(diào)方框圖顯示了內(nèi)部解調(diào)過(guò)程( 矩形框內(nèi)) 和用戶可設(shè)的配置參數(shù)( 橢圓或圓角矩形框內(nèi))。橢圓框內(nèi)的項(xiàng)目是用于定義測(cè)量所需的解調(diào)器的配置參數(shù)。圓角框內(nèi)是用戶可調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)。解調(diào)算法至少知道調(diào)制格式( QPSK、FSK 等)、符號(hào)速率、基帶濾波器類型和濾波器  /BT 等參數(shù)。這組參數(shù)通常通常足以滿足解調(diào)器鎖定信號(hào)以及很多格式的符號(hào)恢復(fù)的需要。其它格式， 像定制的 OFDM 針對(duì)具體格式類型則需要額外的信息。

圖19. 數(shù)字方框圖

數(shù)字解調(diào)基帶濾波

前面提到，數(shù)字解調(diào)利用基帶濾波來(lái)限制帶寬和降低碼間干擾。還有， 就像通信接收機(jī)一樣，數(shù)字解調(diào)基帶濾波必須配置的與被測(cè)系統(tǒng)匹配，以精確地解調(diào)信號(hào)。這同樣要求濾波器類型( 如 Nyquist 或 Gaussian) 與濾波器帶寬系數(shù)(  或BT) 匹配。

如圖20 所示， I-Q 測(cè)量波形和 I-Q 參考波形具備獨(dú)自的信號(hào)處理路徑和基帶濾波。I-Q 測(cè)量波形必須使用與被測(cè)系統(tǒng)的接收機(jī)濾波相匹配的基帶濾波。該濾波器稱為測(cè)量濾波器或 Meas Filter。I-Q 參考波形必須使用與被測(cè)系統(tǒng)的總體( 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)) 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?yàn)樗脕?lái)合成可被“完美的”線性信道信道響應(yīng)接收的理想的 I-Q 信號(hào)。解調(diào)器必須利用總體系統(tǒng)信道濾波才能精確地合成參考 I-Q 波形。

選擇恰當(dāng)?shù)臑V波

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶濾波可能出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)上; 或者分布在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，發(fā)射機(jī)中完成一半濾波，接收機(jī)中完成另外一半。這是個(gè)很重要的概念，會(huì)影響到解調(diào)器在處理I-Q 測(cè)量波形和I-Q 參考波形時(shí)所需的濾波器類型。矢量信號(hào)分析軟件的Meas Filter 代表系統(tǒng)接收機(jī)的基帶濾波，而Ref Filter 代表整個(gè)系統(tǒng)的基帶濾波( 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)整體的信道濾波)。

圖20. 可選的匹配濾波器用于代表發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的濾波。借助已檢測(cè)的比特，再結(jié)合對(duì)調(diào)制類型和濾波的了解，可以確定理想信號(hào)。

選擇正確的解調(diào)基帶濾波可能并不像想象中的那么簡(jiǎn)單直接，尤其是對(duì) 于分布式系統(tǒng)。例如，北美數(shù)字蜂窩(NADC) 標(biāo)準(zhǔn)采用分布式濾波; 在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中都使用了根升余弦濾波器。參見(jiàn)圖20。在矢量信號(hào)分析解調(diào)里，針對(duì)I-Q 測(cè)量波形使用一個(gè)根升余弦濾波器( 與系統(tǒng)接收機(jī)濾波匹配，系統(tǒng)發(fā)射機(jī)含有一個(gè)類似濾波器)。對(duì)于I-Q 參考波形，您可以使用一個(gè)升余弦濾波器( 與整體系統(tǒng)信道濾波匹配)。這是因?yàn)槠椒礁? 升余弦) 乘以平方根( 升余弦) 的結(jié)果就等于升余弦濾波器。

表3 顯示了一些常用的濾波器類型以及測(cè)量和參考濾波器基于發(fā)射機(jī)濾波器類型的選擇示例()。

表 3. 常用的發(fā)射機(jī)濾波器類型

濾波器  和BT 帶寬時(shí)間產(chǎn)品

可精確代表被測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)濾波器參數(shù)是濾波器帶寬系數(shù)，定意為濾波器 或 BT。每個(gè)濾波器類型將會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的濾波器帶寬系數(shù); Nyquist 濾波器使用，高斯濾波器使用 BT。解調(diào)器對(duì)測(cè)量濾波器和參考濾波器使用相同的  或BT 值。

根據(jù)具體的應(yīng)用需求，數(shù)字通信使用許多濾波器類型，傳統(tǒng)上，使用 Nyquist ( 升余弦) 濾波器是因?yàn)樗茏钚』?ISI 。如圖 21 所示，Nyquist 濾波器脈沖響應(yīng)的峰值幅度出現(xiàn)在符號(hào)時(shí)刻 t = 0 幅度時(shí)，而在所有其它符號(hào)時(shí)刻為零。也就是說(shuō)，該響應(yīng)在符號(hào)周期的整數(shù)倍(1 除以?s) 通過(guò)零點(diǎn)。這意味著Nyquist 已過(guò)濾的符號(hào)不會(huì)干擾周圍的符號(hào)( 即符號(hào)間干擾為零)。雖然Nyquist 濾波器可最大限度地減少 ISI，但對(duì)于有些應(yīng)用 ISI 并不是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)時(shí)鐘恢復(fù)方面具有優(yōu)勢(shì)。它通常使用在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線電話系統(tǒng)中。Chebyshev 濾波器具有陡降特性，能夠有效減少對(duì)相鄰信道的功率泄漏。Chebyshev 濾波器通常應(yīng)用在使用 CDMA ( 碼分多址) 調(diào)制方案的無(wú)線電話系統(tǒng)中。除了這里探討的類型外，數(shù)字通信領(lǐng)域還采用許多其它類型的濾波器。

圖21. Nyquist 濾波器最大限度地降低符號(hào)間干擾(ISI)。

Alpha

Alpha () 描述了Nyquist ( 升余弦) 濾波器的滾降程度。參見(jiàn)圖21。Alpha 也稱為滾降或多余帶寬因子。  值較高，則會(huì)增加理論最小值之外的帶寬。調(diào)制原理指出，發(fā)射一個(gè)信號(hào)所需的最小帶寬等于符號(hào)率的一半。不過(guò)， 要實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)帶寬，需要一個(gè)完美的磚墻式( 矩形) 濾波器，也就是  等于0，占用帶寬等于符號(hào)率。但磚墻式濾波器并不能實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)際中的通 信系統(tǒng)一般采用? 等于0.3 的濾波器。  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(gè)值是頻譜效率和最小 ISI 的一個(gè)很好的折衷。對(duì)于給定  的占用帶寬近似等于采樣率乘以(1 +  )。

BT — 帶寬時(shí)間產(chǎn)品

BT ( 帶寬時(shí)間產(chǎn)品) 是高斯濾波器對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)，描述了這個(gè)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(diào)分析

一旦用戶提供了輸入配置，解調(diào)器就利用它們并通過(guò)DSP 以塊狀格式接收來(lái)自矢量信號(hào)分析可用樣本存儲(chǔ)器的 I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)。矢量信號(hào)分析軟件能夠接收來(lái)自外部硬件( 例如Keysight X 系列信號(hào)分析儀或Infiniium 系列示波器) 或記錄文件的 I-Q 時(shí)間數(shù)據(jù)。解調(diào)器使用所提供的中心頻率和符號(hào)率鎖定載波，并且從調(diào)制載波上恢復(fù)符號(hào)時(shí)鐘。注意，解調(diào)器參考時(shí)鐘不需要與源時(shí)鐘鎖定。解調(diào)算法自動(dòng)提供載波和符號(hào)鎖定; 不必提供額外的源時(shí)鐘輸入。然后信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償過(guò)程應(yīng)用增益和相位校正。補(bǔ)償數(shù)據(jù)( 例如幅度幅度偏差和 I-Q 偏置誤差數(shù)據(jù)) 被存儲(chǔ)并可以在誤差匯總表中查看。隨后，應(yīng)用數(shù)字基帶濾波以恢復(fù)基帶 I-Q 波形( I-Q 測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù))。將已恢復(fù)的 I-Q 波形送入到符號(hào)檢測(cè)器，基于具體的調(diào)制格式來(lái)嘗試確定發(fā)射的符號(hào)。從符號(hào)塊中，解碼和恢復(fù)串行數(shù)據(jù)比特(1 和 0)。參考產(chǎn)生器使用已檢測(cè)的符號(hào)再結(jié)合調(diào)制格式、符號(hào)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(shí)間數(shù)據(jù))。最終將測(cè)得的 I/Q 波形和參考 I-Q 波形進(jìn)行對(duì)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)。