數位或向量調變可以提供更高的頻譜效率、更高的資料安全性,以及更高品質的通訊。但其代價是系統的複雜性增加,進而導致測試的困難度提高。

將向量訊號分析(VSA)添加到示波器,可以減少必要的測試儀器,並由於可在單一台儀器整合分析功能,從而簡化測試過程。本文將介紹向量訊號以及有效測量這種訊號所需的分析工具。

向量狀態測量

向量或正交訊號的產生透過在每一符號發送過程中傳送多個位元,從而實現高頻譜密度。此處可考慮以每個傳送符號對兩個數位位元進行編碼的正交相移鍵控(QPSK)。這兩個位元可以選用00、01、10和11等值的任一個。

QPSK使用相位調變對這些值進行編碼,為兩位元數值中的每一個分配一個獨特的相位。藉由將資料串流分解成稱為同相(I)和正交(Q)的兩個正交分量,即可產生相移。在這些具有固定90°相位差的分量添加不同的幅度權重,可以產生任何可能的相位。在QPSK中,組合加權的I和Q分量,可以產生45°、135°、225°和315°的相移。這可以透過在X-Y顯示器中交叉繪製I和Q分量的視覺呈現。如圖1所示,即使用了Teledyne LeCroy VectorLinQ軟體選項。

20170623_LeCroy_TA31P1 圖1:交叉繪製QPSK訊號的I和Q分量,產生狀態轉換或軌跡圖,以顯示每個編碼雙對(bi-pair)的相位和幅度,以及狀態之間的過渡路徑。參考(理想)狀態如‘x’標記所示,測量狀態以紅色顯示。

圖1顯示在左側兩個網格所取得的I和Q分量波形;右側X-Y圖中是QPSK訊號的狀態轉換或軌跡。軌跡圖上的綠色‘×’符號標記理想或參考狀態位置,並可由用戶自定義。紅色區域顯示測量的狀態位置。藍色軌跡顯示狀態之間的轉換路徑。相關的X-Y圖是星座圖。稍微深入細節,星座圖和狀態轉換圖之間的區別是:星座圖具體顯示了恢復符號時脈時間(紅點)處的訊號位置。狀態轉換圖顯示了這些點以及軌跡(訊號從一個符號到下一個符號的路徑)。

在理想情況下,測量的狀態位置應處於參考狀態之下。它們的位置與理想位置不同的程度可透過誤差向量幅度(EVM)參數來測量,該參數也顯示在設置對話方塊的左上方。顯示為EVM的數值是在訊號擷取期間捕獲的所有數位狀態幅度誤差的RMS值。它同時也顯示相位誤差,等於每個狀態的訊號向量與理想參考向量之間的相位差。顯示為相位差的值是在訊號擷取期間捕獲的所有狀態之RMS。

調變載波

I和Q分量用於相位調變載波以進行傳輸。向量訊號分析儀能擷取和解調這種訊號,以進行向量分析,如圖2所示。

20170623_LeCroy_TA31P2 圖2:解調和分析100MHz載波上的QPSK訊號,顯示處理訊號時的時間和頻譜圖

圖2是處理有關分析調變RF載波的「故事板」(story board)。如同左上柵格中走線M1所示的訊號源,就是一種QPSK訊號以1MSps進行相位調變的100MHz RF載波。緊臨該訊號源右側網格的是調變載波的快速傅里葉變換(FFT)。FFT提供訊號的頻域或頻譜圖。它顯示一個頻譜峰值,表示以100MHz為中心的來源訊號。顯示器底部的對話框顯示由模板控制的VSA軟體處理流程。

有兩種預設的模板:一種用於基頻I和Q處理;另一種用於RF處理,如2圖所示。其過程從100MHz為中心的有限頻帶(band-limiting)高斯濾波器開始,其後是正交混頻器,其訊號與100MHz本地振盪器混頻,並下變頻至基頻。混頻器的輸出被低通濾波,僅保留基頻訊號分量。該濾波器實際上與發射器端一款相同的濾波器匹配,以減少符號間干擾(ISI)。請注意眼圖正好在時脈點(眼中心)「重合在一起」。這是匹配奈奎斯特(Nyquist)濾波的一種指標。當然,在發射器上使用這種濾波器,也有助於減少佔用通道頻寬。

在此過程的下一步是載波估算器。該演算法估算並補償載波中的殘餘頻率偏移。其後則採用等化器,用於校正訊號中任何與頻率相關的失真。最後,相位估算器測量載波源和本地振盪器之間的相位差。結果輸出包含基頻I和Q訊號。

圖左頂部的第二個網格顯示I分量。其下是I分量的放大視圖。Q訊號分量則在圖左頂部向下數第四個網格中顯示。其放大視圖位於左側的底部網格。

緊挨著I和Q分量右側的是這些訊號的光譜圖。請注意:這些解調訊號的頻譜已經從0Hz開始頻移到基頻。

解調的I和Q分量是攜帶數位資訊的不歸零(NRZ)訊號。緊挨著I和Q變焦軌跡右側的是每個分量的眼圖。眼圖有助於驗證這些訊號的完整性。

X-Y顯示法提供對於I和Q分量以及測量參數的視覺分析。目前有十四種不同的參數可用。

共有六種可用於訊號操作的處理功能區塊。這些處理工具讓軟體使用PSK、QAM、Circular QAM、ASK或FSK調變,以處理基頻或RF載波。還有一種自定義的MATLAB流程,可讓用戶使用MATLAB編寫自己的自定義處理函數。

正交幅度調變

為了提高數據通訊系統的頻譜效率,必須提高每個傳輸符號的位元數。達到這個目標的方式之一是透過調變載波相位和振幅,對數位資料進行編碼。這就是正交幅度調變(QAM)。

最常見的格式是16QAM,其中每個符號傳輸的4位元被編碼為16種不同的振幅和相位組合。從QPSK相移到16QAM,可在不增加所需頻寬的情況下讓數據速率倍增;透過導入較低幅度的符號狀態,意味著這種設計中的訊號雜訊比(SNR)裕度變得更緊縮。

RF調變16QAM訊號的VectorLinQ視圖,如圖3所示。

20170623_LeCroy_TA31P3 圖3:16QAM訊號的分析,包括星座圖和參數

相同的處理方式已被應用於搭配此例中所使用的25MHz載頻。在這種情況下,並未顯示出軌跡路徑,而僅顯示測量狀態的位置和參考狀態;這就是星座圖。從該星座圖可以看出,有16種狀態表示4個位元的所有可能值。眼圖現在有4個層級和3個中度的眼睛開口。請注意,顯示器底部同時顯示13種與向量相關的測量參數。

VSA軟體最多可支援8個同步處理串流。這可實現多種操作,例如比較不同處理情況的結果。

考慮圖4所示的雙串流處理。

20170623_LeCroy_TA31P4 圖4:使用8種處理串流中的2個,以比較不同基頻濾波器對解調器性能的影響

在此例中,使用兩種不同的處理設置(每個串流各對應一個)對1GHz、8-PSK訊號實施RF下變頻和解調。除了下變頻後使用的基頻濾波器以外,兩種過程基本上是相同的。串流1 (圖4左側)採用500MHz高斯濾波器;而串流2 (圖中右側)使用40MHz的根升餘弦濾波器。眼圖和狀態轉換圖並排對比顯示,使得視覺分析相當容易,而測量參數則提供定量數據。

在狀態轉換圖中比較狀態向量的離差(dispersion)顯示:串流2的濾波器產生更緊密的分組。比較EVM參數測量值顯示,串流1的EVM為5.8%,串流2的EVM表現更好的1.3%。眼圖還顯示串流2的濾波器配置可產生更寬的開口。

結論

在示波器上處理、顯示、測量和分析向量調變訊號的能力,是一種強大的工具。使用向量調變訊號時要考慮的關鍵特性包括:用於確定訊號向量幅度精確度的星座圖和狀態轉換圖;用於驗證頻率內容的相位和頻譜視圖;以及用於確認訊號完整性的眼圖。具有對RF載波進行解調並擷取基底I和Q訊號分量的能力,更有助於使這些工具相得益彰。