上回在《高性能信號記錄和回放解決方案》中介紹了使用便攜式信號分析儀FieldMaster Pro MS2090A如何在現(xiàn)場錄制并還原復(fù)雜調(diào)制信號。本文將從探討數(shù)字調(diào)制信號分析的基本定義開始，介紹數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生和分析過程以及分析方法，最后介紹如何使用安立提供的信號分析工具MX280005A Vector Signal Analysis ，方便靈活的分析復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號的特征參數(shù)。

調(diào)制信號按照調(diào)制信號類型分為模擬(電壓)和數(shù)字(編碼)兩種。不論是模擬調(diào)制還是數(shù)字調(diào)制信號分析，為了全面分析他們的各項參數(shù)，需要在不同測量域中分析。例如在頻域，分析信號的帶寬、諧波、功率等參數(shù)；在時域，分析信號的包絡(luò)特征、時間參數(shù)，抖動等；在調(diào)制域，分析信號的幅度/相位誤差、誤碼率等參數(shù)。數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生(調(diào)制)和分析(解調(diào))離不開I (In phase) 和 Q(Quadrature)，下面將對IQ的產(chǎn)生和分析做個簡單介紹。

什么是IQ?

IQ調(diào)制是數(shù)字調(diào)制信號常用的實現(xiàn)方式。數(shù)字編碼是數(shù)字調(diào)制信號的調(diào)制對象，在調(diào)制前，需要將基帶信號進行數(shù)字編碼[1]后輸出兩路正交的I和Q數(shù)字信號。再經(jīng)過基帶濾波器(脈沖成形濾波器)，以及IQ調(diào)制器，將兩路并行的正交數(shù)字信號調(diào)制為一路串行的數(shù)字信號，經(jīng)過DAC變換后，再上變頻到載波頻率并通過天線發(fā)射傳送出去。

圖1數(shù)字基帶IQ調(diào)制實現(xiàn)框圖

經(jīng)過DAC后的基帶信號，具備了相位和幅度信息。類似模擬調(diào)制，數(shù)字編碼的變化映射到矢量坐標系中(正交IQ坐標)，用幅度、頻率和相位三個基本要素表征信號的特征。而頻率和相位，當時間為變量時，也建立起來關(guān)系圖片得到調(diào)制信號的表達式：

數(shù)字調(diào)制信號對信號的幅度、相位或頻率三要素的一種，或是多種同時進行調(diào)制。調(diào)制信號不是變化幅度或者相位，就是幅度和相位一起變化。因此，在IQ坐標中，數(shù)字基帶信號(編碼)的變化，會隨著編碼。

IQ坐標分別用I實部(橫坐標)和Q虛部(縱坐標)表示，每個符號到坐標系原點的距離表示幅度，與橫坐標的夾角表示相位。I路和Q路信號疊加后的幅度和相位映射到圖上，形成符號的星座圖顯示。

圖 2 IQ坐標(星座)表示基帶信號(符號)的幅度、相位及頻率的變化

例如PSK(Phase ShiftKeying)調(diào)制僅僅調(diào)制相位而幅度保持不變。而QAM(Quadarture AmplitudeModulation)調(diào)制, 是幅度和相位同時變化，可以攜帶更多的編碼信息，16/32/64/256/1024/2056 QAM 等，實現(xiàn)寬帶調(diào)制，因此在移動通信中較為常見。

圖 3 PSK和QAM調(diào)制典型的IQ星座圖

VSA通常采用基于軟件的接收機構(gòu)架。VSA將I/Q數(shù)據(jù)重新采樣，還原出信號的幅度，相位/頻率信息。并根據(jù)所測量的信號參數(shù)，內(nèi)建出標準參考信號進行比較測量，得到EVM等關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 信號接收機結(jié)構(gòu)和VSA框架 (綠色)

調(diào)制域分析

數(shù)字調(diào)制信號的調(diào)制域分析，在不同的觀測坐標系中，可以得到比特、符號、信道等特征參量。例如在星座圖(Constellation)中從IQ坐標映射觀測信號傳輸?shù)南嚓P(guān)特性，例如信道失真(符號串擾，疊加噪聲等)，以及I/Q基帶失真(增益、相位、符號偏移等)。

圖5 星座圖IQ基帶和信道失真參數(shù) (上)

VSA通過輸入的信號參數(shù)，內(nèi)建標準參考信號，與輸入信號(數(shù)字I/Q)作比較，得到和參考信號在相位(頻率)和幅度上的誤差，稱之為EVM (ErrorVector Magnitude, 矢量誤差)，一般用dB或者%表示。EVM不僅能夠表征發(fā)射信號的質(zhì)量，也可以用來評估信號傳播路徑所疊加的噪聲，以及干擾造成的影響。如下圖所示，藍色為實際發(fā)射信號的矢量坐標，綠色為參考信號矢量坐標，將兩個坐標點相連的紅線，表示它們之間的誤差矢量，包括幅度和相位。

圖6  EVM在IQ坐標中表示及EVM的表示方法

將IQ映射到符號周期和幅度坐標中，就形成了眼圖(Eye Diagram)。通過眼圖可以觀察碼間串擾和噪聲的影響，體現(xiàn)數(shù)字信號整體的特征，從而估計系統(tǒng)的優(yōu)劣程度。特別對與高速互聯(lián)系統(tǒng)信號完整性分析十分重要。同時，使用眼圖，也能夠?qū)邮諡V波器的特性加以調(diào)制，以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

圖 7(a) 眼圖的關(guān)鍵指標參數(shù)

圖 7(b) 眼圖對于系統(tǒng)性能的優(yōu)劣評估

(上為2-PSK無干擾；下為信道疊加多徑干擾后的眼圖)

還有一種常用的測試為格柵圖(Trellisdiagram)，是將符號映射到相位坐標中(wiped phase), 給出符號到符號之間的相位變化。Trellis圖顯示特別適用于排查在I/Q調(diào)制器或者映射算法中是否存在丟失的轉(zhuǎn)換、代碼或者盲點。

圖8 VSA軟件中給出的π/4 DQPSK Trellis 圖

安立VSA工具軟件包

安立VSA MX280005A提供多種標準數(shù)字調(diào)制類型，特別是內(nèi)置了多種常用的標準信號類型，例如DVB(S/S2)、TETRA等，簡化了解調(diào)參數(shù)設(shè)置。

靈活的數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式。VSA工具包MX280005A軟件，通過網(wǎng)線和MS2090A連接，不僅支持在線IQ數(shù)據(jù)讀取和分析，通過外置U盤，實現(xiàn)離線I/Q分析，方便遠程技術(shù)分析支持。

圖 9 VSA和MS2090A連接方式

VSA內(nèi)置靈活的參數(shù)設(shè)置，用來描述被測信號和參考信號的特征。針對信號調(diào)制方式，濾波器類型，幀結(jié)構(gòu)，時隙長度，關(guān)鍵字搜索和同步條件等做詳細的設(shè)置。對于內(nèi)置的標準信號類型，VSA預(yù)置了常規(guī)的設(shè)置，方便使用。

圖10 信號參數(shù)設(shè)置及標準信號預(yù)設(shè)值(Tetra)

VSA工具包提供多種分析功能，例如星座圖、眼圖、I/Q相位和幅度誤差….VSA支持在線和離線數(shù)據(jù)分析。通過千兆以太網(wǎng)口與MS2090A建立連接，實時控制MS2090A的設(shè)置參數(shù)，并自動讀取I/Q數(shù)據(jù)到PC進行在線分析。

圖11 VSA支持多種分析功能及多種顯示結(jié)果顯示 (π/4 DQPSK)

總結(jié)

I/Q數(shù)字信號，是建立在數(shù)字和射頻模擬量之間的橋梁。安立公司在高性能信號分析儀MS2090A平臺上，加入了對數(shù)字調(diào)制信號的IQ捕獲，并可配合VSA工具包軟件分析捕獲的IQ數(shù)字信號。可用于實驗室，甚至外場對發(fā)射信號的質(zhì)量，以及傳輸信道干擾進行快速和準確的評估，提高信號傳輸質(zhì)量。