矢量调制器是什么作用（矢量调制器原理）

前言

本文介绍VSA的矢量调制分析和数字调制分析测量功能。一些扫频调谐频谱分析仪还可以通过使用附加的数字无线专用软件来提供数字调制分析。然而，VSA一般在调制格式和解调算法配置方面提供了更大的测量灵活性，并提供更多的数据结果和迹线轨迹显示。本文中描述的基本数字调制分析概念也适用于使用附加数字调制分析软件的扫频调谐分析仪。

VSA 的真正威力在于其测量和分析矢量调制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的复杂信号。

矢量调制分析提供了一种重要的测量工具，那就是模拟调制分析。例如，Agilent 89600B VSA 软件提供模拟调制分析，并且可以像调制分析仪一样生成AM、FM 和PM 解调结果，让您可以查看随时间变化的幅度、频率和相位图。这种附加的模拟解调功能可用于解决数字通信发射机中的特定问题。例如，相位解调通常用于特定LO 频率的不稳定性问题的故障分析。

由于数字通信系统使用复杂信号（I-Q 波形），因此需要矢量调制分析来测量数字调制信号。但矢量调制分析不足以测量当今复杂的数字调制信号。您还需要数字调制分析。数字调制分析用于将射频调制载波信号解调为其复杂分量（I-Q 波形）。然后，您可以应用数字和可视化工具来快速识别和量化I-Q 波形中的缺陷。数字调制分析检测并恢复数字数据位。

数字解调还提供调制质量测量。 Agilent VSA 中使用的技术（本节稍后讨论）可以揭示非常细微的信号变化，并最终将其转换为信号质量信息。这些都是传统调制质量测量方法无法提供的。使用各种显示格式和功能来查看基带信号特征并分析调制质量。 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/错误汇总表显示实际恢复的位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 偏移误差。其他显示格式（例如幅度/相位误差与时间、幅度/相位误差与频率或均衡）允许您进行频率响应测量和群延迟测量，或查看码域结果。这些只是VSA 提供的多种显示格式和测量功能的几个示例。各种功能的可用性取决于分析能力和将要测量的数字调制格式的类型。

VSA 的数字调制方案为多种数字通信标准（如GSM、EDG、W-CDMA 和cdma2000）以及其他数字调制格式（如LTE、WLAN 和WiMAX）（包括MIMO 信号）提供测量支持。这些信号比我们将在这里检查的简单信号复杂得多。测量可以是连续载波或脉冲载波（例如TDMA），并且可以在基带、IF 和RF 位置的整个数字通信系统框图中进行。不需要外部滤波、相关载波信号或符号时钟定时信号。 Agilent VSA 中的数字解调通用算法还允许您测量非标准格式的信号，更改用户定义的数字测量参数以进行定制测试和分析。

矢量调制和数字调制

我们首先回顾一下矢量调制和数字调制。请特别注意，尽管术语“调制器”和“解调器”意味着硬件，但基于软件的VSA 实际上是基于DSP 的软件，执行调制/解调。数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的术语，指的是其中数字状态由载波的相对相位和/或幅度表示的调制。虽然我们谈论的是数字调制，但应该记住，这种调制不是数字的，而是真正的模拟。调制是载波幅度、频率或相位的变化与调制（基带）信号幅度的变化成比例。参见图1。在数字调制中，基带调制信号是数字的，但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。

根据具体应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这种类型的调制可以通过传统的模拟调制方案来实现，例如幅度调制（AM）、频率调制（FM）或相位调制（PM）。然而，在实际系统中，经常使用矢量调制（也称为复调制或I-Q 调制）。矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可以生成任意的载波相位和幅度。在此调制方案中，基带数字信息被分成两个独立的分量： I（同相）和Q（正交）分量。然后将这些I 和Q 分量组合起来形成基带调制信号。 I 和Q 分量最重要的属性是它们是独立（正交）分量。在下面的讨论中，您将详细了解I 和Q 组件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一种简单方法是使用图2 中所示的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，因此仅考虑相位和幅度。未调制的载波用作相位和频率参考，调制信号根据其与载波的关系进行解释。相位和幅度可以在极坐标图或矢量图上表示为I-Q 平面中的虚线点。请参见图2。I 代表同相（相位参考）分量，Q 代表正交（90 异相）分量。您还可以通过同相载波的特定幅度和正交载波的特定幅度的矢量相加来表达这一点。这就是I-Q 调制的工作原理。

载波被放置在I-Q平面中的预定位置并且编码信息被发送。每个位置或状态（或某些系统中状态之间的转换）代表可以在接收器处解码的特定位模式。在每个符号选择定时时刻（当接收器转换信号时），I-Q 平面中的状态或符号的映射称为星座。参见图3。一个符号代表一组数字数据位；它们是它们所代表的数字信息的代码。每个符号的位数或每个符号的位数(bpsym) 由调制格式确定。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，星座的每个状态位置都应该显示为单个点。然而，由于系统会受到各种损伤和噪声的影响，因此会导致这些状态扩散（每个状态周围出现分散的点）。图3示出了16 QAM格式（16正交幅度调制）的星座图或状态图；请注意，有16 种可能的状态位置。此格式使用编码为单个幅度/相位状态或符号的4 位数据串。为了产生这种调制格式，I 和Q 载波根据所传输的代码具有4 个不同的幅度级别。

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图3. 星座图中的每个位置或状态代表特定的位模式（符号）和符号时间

在数字调制中，信号通过有限数量的符号或状态。载波在星座中各点之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。符号率很重要，因为它代表传输信号所需的带宽。象征

速率越低，传输所需的带宽越小。例如，前面提到的16 QAM格式使用每个符号4比特的速率。如果无线传输速率为16 Mbps，则符号速率=16 (Mbps) 除以4 位或4 MHz。这提供了四分之一比特率的符号率和更高效的传输带宽（4 MHz 与16 MHz）。

I-Q调制

在数字通信中，I-Q 调制将编码的数字I 和Q 基带信息放入载波中。请参见图4。I-Q 调制生成信号的I 和Q 分量；本质上，它是笛卡尔到极坐标变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。请注意，这可能是数字（软件）LO。下面，I 和Q 均上变频至RF 载波频率。 I 幅度信息调制载波以生成同相分量。 Q 幅度信息调制90（直角）相移载波以生成正交分量。这两个正交调制载波信号相加，产生复合I-Q 调制载波信号。 I-Q 调制的主要优点是独立的信号分量可以轻松地组合成单个复合信号，然后该复合信号可以同样轻松地分解为独立的分量部分。相隔90 的信号彼此成直角或正交。 I和Q信号的正交性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，但它不会对I 分量产生任何影响。同样，I 输入的变化不会影响Q 信号。

I/Q解调

如图5 所示，I-Q 解调是图4 中所示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器LO 锁相到发射器载波频率。为了正确恢复I 和Q 基带分量，接收器LO 必须锁相到发射器载波（或混频器LO）。然后，I-Q 调制载波与非同相LO 和90 相移LO 混合，生成原始I 和Q 基带信号或分量。在VSA软件中，使用数学方法来实现90相移。

从根本上来说，I-Q解调过程就是极坐标到直角坐标的转换。通常，如果没有极坐标到笛卡尔坐标的转换，信息就无法以极坐标格式绘制并重新解释为矩形值。请参见图2。此转换与I-Q 解调器执行的同相和正交混频过程相同。

为什么使用I 和Q ？

数字调制使用I 和Q 分量，因为它为生成、传输和恢复数字数据提供了一种简单、有效且强大的调制方法。 I-Q 域中的调制信号具有许多优点：

I-Q 的实现提供了一种生成复杂信号（相位和幅度都变化）的方法。 I-Q调制器不使用非线性、难以实现的相位调制，而是简单地线性调制载波幅度及其正交。具有宽调制带宽和良好线性度的混频器很容易获得，基带和基于IF 软件的LO 也是如此。为了生成复调制信号，仅生成信号的基带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格式到射频脉冲甚至线性调频雷达的各种调制。信号的解调同样简单。至少在理论上，使用I-Q 解调可以轻松恢复基带信号。在I-Q 平面中查看信号通常可以更好地了解信号。串扰、数据倾斜、压缩和AM-PM 失真等难以可视化的现象可以在I-Q 平面上轻松查看。数字射频通信系统

图6是使用I-Q调制的通用数字射频通信系统的基本架构的简化框图。通过了解系统的基本概念，可以更好地理解具有矢量调制分析功能的VSA的工作原理。通信发射机和计算机的所有部件都可以通过带有矢量调制分析的VSA 进行测量和分析。此外，甚至该框图的软件模拟也可以通过VSA 进行分析，因为VSA 只需要随时间推移对数据进行采样。

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图6. 数字射频通信系统的简化框图。请注意，ADC 和DAC 可能出现在不同的框中。

数字通信发射机

通信发射机从语音编码（假设语音传输）开始，这是将模拟信号量化并转换为数字数据（数字化）的过程。随后，使用数据压缩来降低数据速率并提高频谱效率。信道编码和交织是通过最小化噪声和干扰的影响来提高信号完整性的常用技术。额外的比特通常用于误差校准或作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使得与接收器的同步（查找符号时钟）变得更加容易。符号编码器将串行比特流转换为适当的I 和Q 基带信号，将每个信号映射到与特定系统相对应的I-Q 平面上的符号。符号时钟表示各个符号传输的频率和精确定时。当符号时钟跳跃时，传输载波以正确的I-Q（或幅度/相位）值表示特定符号（星座中的特定点）。每个符号之间的时间间隔就是符号时钟周期，其倒数就是符号时钟频率。当符号时钟与检测到的符号的最佳时刻同步时，符号时钟相位对于该符号来说是正确的。

一旦生成I 和Q 基带信号，就会对它们进行滤波（带限）以提高频谱效率。未经滤波的无线数字调制器的输出占据非常宽（理论上无限）的带宽。这是因为调制器是由基带I-Q 方波的快速转换驱动的；时域中的快速转换相当于频域中的宽频谱。这种情况是不可接受的，因为它减少了其他用户可用的频谱，并对相邻用户造成信号干扰，称为邻道功率干扰。基带滤波通过限制频谱和限制对其他信道的干扰来解决这个问题。实际上，滤波会减慢状态之间的快速转换，从而限制频谱。不过滤并非没有缺点；它会导致信号和数据传输性能下降。

信号质量下降是由于滤波器的时间（脉冲）响应引起的频谱分量减少、过冲和有限振铃效应造成的。减少频谱分量会导致信息丢失，这可能使接收器很难甚至不可能重建信号。滤波器的振铃响应可以持续足够长的时间，从而影响后续符号并产生符号间干扰(ISI)。 ISI被定义为前后符号的多余能量干扰当前符号，导致不正确的解码。滤波器的最佳选择成为频谱效率和ISI 之间的折衷。在数字通信设计中，通常使用一种特定类型的滤波器，称为奈奎斯特滤波器。奈奎斯特滤波器是理想的滤波器选择，因为它可以最大化数据速率，同时最小化ISI 并限制通道带宽要求。您将在本节后面了解有关此过滤器的更多信息。为了提高系统的整体性能，滤波器通常在发送器和接收器之间共享或分布。在这种情况下，为了最大限度地减少ISI，滤波器必须尽可能紧密地匹配发送器和接收器并正确实现。图6 仅显示了一个基带滤波器。但实际上使用了两个，I 和Q 通道各一个。

滤波后的I 和Q 基带信号是I-Q 调制器的输入。调制器中的LO 可以工作在中频(IF) 或直接工作在最终射频(RF)。调制器的输出是IF（或RF）处两个正交I 和Q 信号的合成。调制后，如有必要，信号会被上变频为射频。然后过滤掉任何多余的频率，最后将信号馈入输出放大器并进行传输。

数字通信接收器

接收器本质上是发射器的反向实现，但设计更复杂。接收器首先将输入射频信号下变频为中频信号，然后对其进行解调。解调信号并恢复原始数据的能力通常很困难。传输的信号经常会受到空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素的损坏。

解调过程通常由以下阶段组成： 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、比特解调和解交织（解码）位），解压缩（扩展为原始比特流），最后是数模转换（如果需要）。

接收器和发送器之间的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收器中，符号时钟的频率和相位（或定时）必须正确才能成功解调比特并恢复传输的信息。例如，符号时钟具有正确的频率设置，但相位错误。这意味着如果符号时钟与符号之间而不是符号本身之间存在过度同步，则解调将会失败。

接收机设计中的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。一些时钟恢复技术包括测量调制幅度变化，或者在具有脉冲载波的系统中，可以使用加电事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时，可以简化该任务。