Agilent_Digital_Modulation_Introduction.ppt

数字调制基本原理 安捷伦无线通信测试技术认证培训 安捷伦科技大学 引言调制的基本概念和描述方法I Q调制原理和数字调制系统数字调制的形式 效率和抗干扰性能基带滤波原理数字调制系统测试模型数字调制信号测试和分析以及信号分析仪简介数字信号源的基本原理以及产生数字调制信号的方法数字调制信号产生和分析的演示 课程内容 无线通信系统的需求和挑战 系统开发人员 物理和规范限制 通信系统的需求 更高的通信容量兼容各种数据系统更好的信号质量信息更安全保密系统更可靠 市场需求 优化限制 可用带宽容许的发射功率系统的固有噪声电平 数字代替模拟的原因 蜂窝移动通信的发展趋势 FDD PairedSpectrum TDD UnpairedSpectrum AMPS NMT 450 NMT 900 TACS RC2000 C Netz NTT 1GAnalog 2G9 6 14 4kbps IS 95 cdmaOne PCS 1900 GSM 900DCS 1800 PDC i mode TDMA 今天 1xRTT cdma2000 2 5G64 144kbps GPRS 1xEV DO cdma2000 3G0 348 2Mbps W CDMA EDGE 投资少速率较高 美国 欧洲 日本 1xEV DVReleaseC D cdma2000 HSDPARelease5 6 TD SCDMA W TDD HSDPA Highspeeddownlinkpackedaccess TSM LCR TSM TD SCDMASystemforMobile 采用GPRS核心网络LCR 低码片速TD SCDMA 采用WCDMA核心网络 投资大速率高 UMTS Bluetooth 蓝牙取代电缆的技术应用 耳机 PC附件等WLAN 无线局域网无线的Ethernet应用 通过LAN的方式传输高速数据WiMAX802 16 2004 802 16d 无线广域网应用 远距离接入 电信最后一公里UWB 取代高速电缆 无线互联技术的发展 无线通信的调制技术和测试的发展 数字调制技术效率和抗干扰性的提高是实现高速无线数据传输的关键通信系统都从模拟调制转入数字体制需要相应的测试能力来适应通信系统的变化趋势 主要数字调制 包括 QPSK FSK MSK和QAM如UWB中采用的正交频分复用技术OFDM 信号的分类 稳定连续信号 周期变化信号 单次突变信号 点频信号 连续波信号 调制信号 噪声信号 连续模拟信号 离散数字信号 频域 时域 数字调制使信号更为复杂 信号的复杂性使产生和测试分析数字调制信号也变得更为复杂 V t A Sin 2 fct 调制的目的 通过对载波参数的改变 将需要传输的信息 话音 数据等 通过一定的媒介进行传输 调制的种类 幅度调制 AM 改变载波幅度A频率调制 FM 改变载波频率fc相位调制 PM 改变载波相位 矢量调制同时改变载波的幅度和相位 调制的要求 信号的频率带宽利用率信号的抗干扰性能 功率的利用率信号的质量 信息传输的质量和可靠性 调制的基本概念 通信系统从模拟系统转向数字系统 其中一个根本原因在于系统抗噪声性能的好坏模拟调制信号基于对连续波形信号的传输 需完成对信号连续变化过程的精确描述和检测 其载波特征参数变化有无穷多的状态 任何连续状态变化过程中的误差都会造成信息的损失 通信质量完全取决于S N数字调制信号基于对离散状态的传输 只需完成对离散时间点信号状态的控制和判决 其载波变化状态是有限的和离散的 非有效状态的误差不会造成信息的损失 因此数字调制信号可以承受更大的噪声 模拟调制和数字调制 调幅 AM ASK 调频 FM FSK 调相 PM PSK 矢量调制 QAM 信号的时域特性信号的频域特性 调制信号的描述方式 V t A Sin 2 fct 调制信号的矢量图描述方法 V t A Sin 2 fct A ej ct 极坐标图表示的矢量的参数是幅度和瞬时相位 一般表示为A 因为所有调制形式针对载波的改变都是幅度 相位以及可以由相位推导的频率 极坐标图是分析调制技术矢量参数的主要描述方式I Q直角坐标图表示矢量的参数不是直接的幅度和瞬时相位 而是把它们投影在I Q直角坐标轴上 采用I轴和Q轴的投影分量来确定矢量使用I Q直角坐标图是因为和I Q调制的表示方法完全一样 幅度 是一个绝对值相位 相对于一个参考值 载波 矢量的表示方法 用矢量来描述一个正弦波非常方便在极坐标中 矢量表示正弦波的峰值电压幅度对于相位改变量的关系正弦波表示信号幅度随时间变化的过程 矢量不能直接提供任何频率信息测量矢量相对于载波信号的参考相位 矢量仅在频率不同时会发生旋转 典型调制信号的矢量图描述 矢量图 Vectordiagram 是描述矢量信号变化轨迹的一种直观方式调幅或角系统产生的这种寄生调制 会使调制信号产生失真失真会导致解调信号的参数变化一个信号频率 0与载波 c有固定差值的轨迹 是一个以 0 c 的转速旋转的矢量如果频率不是一个恒定值 则转速也会变化 矢量调制信号的实现方式 I Q调制 I Q调制有很多优点 1 接口简单 采用正交处理后 可以使数字信号处理 数字电路接口简化 正交两路互不影响2 电路实现简单 正交两路分别处理简化了电路设计及实现 采用I Q调制器 对I与Q信号的幅度与相位进行调制 虽然每次只能作有限的变化 而进行多次不断调制最终可以获得无限的相位循环I Q平面的信号处理已作为现代数字无线通信的一种趋势 通过对IQ信号电压的控制 完成对矢量调制信号幅度和相位的调制符号建立器 SymbolBuilder 建立IQ信号 决定信号的调制方式复杂矢量调制信号的IQ波形为多电平状态IQ调制器可数字方式或模拟方式实现 I Q调制的实现方法 90移相 o 符号建立器 SymbolBuilder 调制信号 矢量调制信号 fc 混频 I Q 混频 QPSK的I Q符号建立器示例 信息与承载信号之间存在的对应关系称为 映射 不同的调制技术就在于它们所采用的映射方式不同当输入数据流速率为Rb时 符号建立器交替地以Rb 2比特率把比特流送入I和Q分路 输出的符号率为RsQPSK调制器看作是将2比特编组 一个在I路 一个在Q路 I Q分量的线性叠加 1997WirelessR DSeminar 90 PhaseShift 2cos ct QuadratureComponent In PhaseIncident 完成正确解调的条件 C LO x1 t 2MVM t xcos ct 2 I t cos ct Q t sin ct cos ct I t I t cos2 ct Q t sin2 ctx2 t Q t Q t sin2 ct I t cos2 ct MVM t I t cos c t Q t sin c t or x2 t x1 t 2sin ct 矢量调制信号 调制信号的完整信息 tan 1 Imag Real A Real Imag 2 2 数字调制信号的I Q解调 本振信号fc 数字调制通信发射机 连续的模拟语音信号通过AD变换 成为离散的数字比特流进行语音编码 数据压缩此后是信道编码 利用冗余的比特实现纠错 有时也作为识别或均衡所需的训练序列 这样能使接收机容易同步按照符号时钟进行调制符号映射产生I Q信号 通过I Q两个通道滤波器将输出的信号送到中频调制器 通过上变频器后上变换到射频射频滤波器去除不需要成分 经功率放大器后送到天线发射 RF模块 输入射频信号被下变频为中频信号后进行解调 解调信号的能力受到噪声 干扰信号和多径衰落的影响接收机需要完成如下的工作 恢复载波频率 载波锁定 恢复符号时钟信号 将信号分离成I和Q分量 确定每个符号的I和Q值 解码和去交织 信源解码恢复成原来的比特流 若有必要 进行数模转换为了成功地解调比特和复原发射信息 在接收机中的符号时钟和相位 或定时 必须正确 数字调制通信系统接收机 模拟信号的采样处理 模拟信号数字化必须经过数模转换和编码处理的开始是以等间隔离散时间对波形进行采样为了节约信号传输的带宽 采样频率应尽量低根据采样定理 最低的采样频率fs应大于信号最高频率2fm模拟输入信号在采样前 必须用低通滤波器限制信号带宽 信号的最高频率成分低于ADC采样率的1 2 以免产生混叠 AnalogtoDigitalConversion ADC采样量化处理过程 采样时钟SampleClock 采样 保持 模数转换 输入信号 时间 连续幅度 模拟信号 输出信号 时间 离散幅度 数字 采样时钟速率必须高于被测信号带宽的两倍当采样时钟不满足Nyquist定理要求 采样点不能正确反映信号波形 频谱上造成混叠 重构的混叠信号 实际信号 ADC采样点 采样后时间离散信号频谱 采样后时间离散信号波形 采样与混叠问题 dc Fs 2Fs Fs 信源编码 语音编码 信源编码 SignalCoding 模拟信号的数字化处理和数据压缩 信道编码 信道编码 ChannelCoding 按协议进行编帧纠错编码 Errorcorrection 重复处理交织 Interleave 训练序列 Trainingsequence 控制信息 Controlinformation 按照信息码元和监督码元之间的检验关系 可以分为线性和非线性码按照信息码元和监督码元间约束方式不同 可以分为分组码和卷积码 卷积码的监督码元不但与本码字信息码元有关 而且与前面码字的信息码元也有约束关系分组码中编码后的码元序列每n位分为一组 其中k位信息码元 r个监督位 r n k 差错控制方式 前向纠错FEC系统 发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字 接收端译码后不仅可以发现错误码 而且可以自动纠正 前向纠错编码需要附加较多的冗余码元 编译码设备比较复杂检错重发ARQ方式 发送端经信道编码可以发出能够检测错误能力的码字 如接收端经检测发现传输有错 则判断结果反馈给发送端 发端信息重新传送一次 直到接收端认为已经正确后为止 混合纠错HEC方式 是前向纠错和检错重发的结合 这种系统中接收端不但具有纠正错误的能力 而且对超出纠错能力的错误有检测能力 卷积码ConvolutionalCoding 卷积码的性能优于分组码 每k个信息组 编码后n个码元的码字 n k k n被称为编码效率 n越大 纠错能力越强编码后n个码元与当前k个及前面 N 1 段的信息有关 编码过程中相互关联的码元为nN个 N为码组长度N时间内的码元数目nN通常被称为这种码的约束长度 卷积码的纠错能力随着N的增加而增大 k n 1 3 数据交织的重要作用 交织 Interleave 编码的目的是把信道中出现的较长突发错误离散成随机错误 再用纠错编码予以纠正移动通信环境中的深衰落很容易造成连续的突发性错误 数字调制信号只须表示离散的调制状态 这些离散状态在矢量图上称为符号点 symbolpoint 符号点组合称为星座图 constellation 数字调制信号完成对时间离散状态的描述 数字调制信号的基本形式 数字调制技术的主要应用 调制格式MSK GMSKBPSKQPSKPi 4 DQPSKOQPSKFSK GFSK8PSK16QAM32QAM64QAM256QAM 应用GSM CDPDDeepspacetelemetry CablemodemsSatellite CDMA LMDS DVB SNADC PDC FHMA Tetra PHS PACS SatelliteCDMA Paging RAMmobiledata Landmobile DECT CT2 PublicsafetySatellite TelemetrypilotsformonitoringbroadbandvideoMicrowavedigitalradio iDEN DVB CTerrestrialmicrowave DVB TDVB C Modems Broadbandsettopboxes MMDSModems DVB C Europe Digitalvideo US 比特率BitRate 通信系统的信息传输速率符号SymbolPoint 数字调制的离散状态符号率SymbolRate 调制符号转换的速率星座图Constellation 调制信号所有符号点的组合矢量图VectorDiagram 调制信号在符号点间变化的过程描述眼图EyeDiagram 检查数字信号传输畸变的方法 数字调制的基本术语 比特速率 BitRate 数字调制信号传输数据变化的速率 与调制方式无关 BitRate 1 Bit时间宽度 符号速率 SymbolRate 波特率 BaudRate 数字调制信号在符号点间变化速率 决定调制信号的占用频率带宽数字调制的形式决定了载波离散状态的数目 也就决定了每个符号所能代表的二进制比特的数目调制形式决定调制效率 单位带宽 符号率 传输的信息量 比特 调制越复杂 调制符号越多 调制效率越高 数字调制信号的频带利用率 调制效率 BPSK 1BitPerSymbol 8PSK 3BitsPerSymbol Rs RbRs 1 2RbRs 1 3Rb QPSK 2BitPerSymbol 复杂的调制形式可以用更窄的带宽传输相同容量的信息调制信号带宽决定于符号率Rs同样传输比特率为1Mbps 三种数字调制8PSK占用带宽最小 数字调制形式决定频带利用率 二进制频移键控2FSK 2FSK信号是符号 1 对应于载频f1 而符号 0 对应于载频f2数字调频可用模拟调频法 利用脉冲序列对一个载波进行调频2FSK键控法 利用脉冲序列控制选通两个不同频率的独立信号源FSK信号的解调方法包括鉴频法 相干检测法 包络检波法 过零检测法 差分检测法等2FSK现在多用I Q的方法实现调制与解调 Datarate 1Mbits s Time fcphase 1 0 2 180 3 180 4 0 5 0 二进制相移键控BPSK Data BPSK信号包含共2个符号点每个符号点以1个Bit数据表示 BPSK 01 QPSK信号包含共4个符号点每个符号点以2个Bit数据表示 四相相移键控QPSK QPSK与BPSK的符号速率 频谱效率的性能比较 BPSK传输该带宽Rb 带宽效率是1b s HzQPSK传输该带宽0 5Rb 带宽效率是2b s Hz 八相相移键控8PSK 8PSK调制进一步提高调制效率具有8个符号点 每个符号可以表示3比特数据属于绝对相位调制 存在相位模糊而直接应用较少180度符号相位变化造成信号轨迹穿越原点 峰均比高 星座图 矢量图 Rs 1 4Rb 正交幅度调制QAM QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性 实现两路并行数字信息的传输 调制方式有4QAM l6QAM 32QAM 64QAM 数字调制信号理论上的频率带宽利用率 MSK1 35bit s HzBPSK1bit s HzQPSK2bits s Hz8PSK3bits s Hz16QAM4bits s Hz32QAM5bits s Hz64QAM6bits s Hz256QAM8bits s Hz 数字调制信号调制越复杂 信号包含的符号点数量越多 每符号对应的比特数量越多 带宽利用率越高 基本的数字调制形式的频带利用率 P e 误码率BER与信噪比SNR结论1 信号信噪比SNR越高 系统信息传输的质量越高 误码率低结论2 达到相同传输质量要求 使用调制方式越复杂 要求的信号SNR越高 数字调制的抗干扰性能 SNR dB 数字调制的抗干扰性能可以用码元差错率 误码率 来表示 标准信号 d 2 A 干扰 d 2 A Signal 1 414 A 传输质量要求 无误码传输条件 幅度为A的干扰信号 信号 干扰 BPSKQSPK8PSK BPSK传输SNR最低要求 0dB QPSK传输SNR最低要求 8PSK传输SNR最低要求 数字调制信号抗干扰性能比较 数字调制信号调制方式越复杂 频率带宽利用率越高调制方式越复杂 抗干扰能力越差 功率利用率低 也就是说接收时需要较高的C N比 才能达到相同传输质量选择调制方式需要根据通信系统在这两个方面折衷256QAM的符号点间距离比BPSK调制近的多 这意味256QAM和BPSK相比容易被干扰而造成误码 数字调制效率和抗干扰性能总结 Differential Modulation QPSK 4 DQPSK 相位状态的变化代表传输信息使用两个具有45度偏移的QPSK星座每个符号总有相位改变 时钟容易恢复矢量图轨迹不通过零点 绝对相位状态代表传输信息矢量图轨迹会过零点 载波幅值过零信号幅度的大范围波动器件非线性会导致信号的频谱扩散 差分调制方式 4DQPSK I Q偏移调制 QPSK Q I Q I 眼图 星座图 OQPSK IQ信号同时发生变化 IQ信号变化偏移半个符号周期IQ信号不会同时发生变化信号矢量图轨迹不通过零点 OQPSK调制方式 MSK forGSM Qvs I FSK Freq vs Time 每个符号1Bit 恒定包络 连续相位调制可使用高效率非线性处理器件 功率利用率高 恒包络数字调制MSK 最小移频键控 3 8旋转8PSK调制 EDGE 3 8旋转8PSK在EDGE系统应用每个符号变化时原8PSK星座图旋转3 8等效于相位变化为 8奇数倍的差分相位调制星座图旋转避免了180度相位变化 相当于有8种符号相位变化 8 3 8 5 8 7 8 8 3 8 5 8 7 8 EDGE与GSM矢量图比较 GSM的GMSK调制 EDGE的3 8旋转8PSK调制 GMSK调制是恒包络调制 基本没有包络起伏而3 8旋转8PSK由于存在像5 8 7 8这样的相位变化 包络起伏远大于GMSK 需要使用线性动态范围大的射频器件才能保证不失真 脉冲信号特性 NRZ基带信号 符号间的采样间隔 Rate Bit Symbol Interval Sample 1 数字基带信号是脉冲方波时 其频谱包络符合Sinc x 函数波形 占有带宽无穷大 有很多旁瓣数字通信中通常用脉冲代表比特 或符号 考虑一个宽度为Tb的单脉冲 可看到该脉冲将占用无限大的带宽 脉冲信号频谱 谱线间隔为1 T T是传输码字 Word 或脉冲的周期 当传输信号的脉冲比特宽度为t 码字 Word 的持续时间为T 则其频谱带宽为无限的 具有如下特征 脉冲具有无限快的上升和下降速度 因此频谱具有sinc x sin x x 形状 从 至 其主瓣宽度 2 t 旁瓣宽度 1 t 谱线间隔 1 T 第一个旁瓣向比主瓣低13dB 并以20dB dec速度滚降 对数字调制信号的带宽限制 图中的信号中心频率为1GHz 其主瓣宽带就达到了10MHz 还有幅度很大的副瓣 13dB 为了在移动通信系统中实现频率复用 必须采用带限的信号因此在通信系统中的发射信号都必须经过滤波器滤波 滤波器的时域冲激响应 符号间串扰ISI 基带信号可在频域上进行滤波 频域的滤波处理会使时域Sinc x 函数产生扩展时域上波形扩展拖尾 会导致各符号间相互串扰接收端对各点进行抽样时 在邻近时隙的拖尾重叠太强 就可能会错误判决 有可能会使 0 判为 1 这种现象为符号间串扰ISIInterSymbolInterference Nyquist滤波器 脉冲响应的振荡为符号周期在整符号周期点过零不会引起码间串扰 Nyquist滤波器 升余弦滤波器 奈奎斯特第一准则 即取样点无失真准则指出 一个合适的传输滤波器 可以在最小传输带宽的条件下消除符号间串扰理想低通滤波器截止带宽fN RS 即奈奎斯特带宽符号奈奎斯特准则的升余弦滤波器的时域冲激响应在相邻符号能量为0 因此不会引起符号间串扰 反映滤波器的频响形状在信号的占用带宽和功率参数间折衷 信号占有带宽 符号速率 1 Nyquist滤波器系数 具有理想低通特性 0 的信道难以实现 而采用具有一定滚降特性的滤波器滚降系数 其带宽较奈奎斯特带宽增加的程度 BW fN fN BW是滤波器带宽 fN是奈奎斯特带宽 是0到1之间的数值 信号占用带宽是符号率RS的1 倍Nyquist滤波器要求占用带宽大于符号率 其频带利用率不是最佳 使用Nyquist滤波器的信号带宽计算 的典型值为0 35 0 5 工程上使用的 最小值为0 2北美数字移动通信系统NADC 采用了滚降系数 0 35的Pi 4 DQPSK调制 当话音编码速率为48kbps时 调制信号带宽1 35x24 32 4KHz 基带滤波对数字调制信号的影响 I Q矢量图没有采用滤波器时 信号状态转换时间为0 需要无限的带宽使用Nyquist滤波器 信号的状态转换延缓 调制带宽受到限制 但符号判决点的矢量位置未改变 因此没有ISI如果使用高斯滤波器 限制了状态的转换 但由于存在ISI 符号判决点的位置发生偏移 并出现多个点发散的现象 2 N氏滤波器 0 75 3 高斯滤波器 0 375 1 0 匹配滤波器 MatchedFilter 要求发射到接收的完整系统响应符合Nyquist升余弦响应收发均实现Nyquist升余弦响应符合根升余弦滤波器也叫匹配滤波器 MatchedFilter 基带滤波的好处提高频率利用率减小系统中用户间信号干扰基带滤波的代价增加复杂性非奈氏滤波器会产生符号间串扰滤波器损耗需要增加发射功率基带滤波器的主要形式Nyquist square rootNyquist 系数Gaussian滤波器 BT系数值用户定义 基带滤波原理的总结 数字调制的形式 ModulationFormat 信号符号点分布频率带宽利用率功率利用率 满足抗干扰要求符号速率 SymbolRate 决定信号在符号点间变化的时间间隔滤波器的形式及参数 FilterParameter 决定信号在星座中符号点间变化的轨迹不会产生扩散 定义数字调制信号的基本参数 信源 发射机 典型的数字调制发射机测试模型 输出功率邻道功率占用带宽输出频谱模板功率对时间关系谐波与杂散 误差矢量幅度EVM幅度误差相位误差频率误差I Q偏移码域误差 频谱分析仪 矢量信号分析仪 其它发射机测试仪表功率计频率计数字存储示波器 信宿 接收机 典型的数字调制接收机测试模型 需要模拟的数字接收机测试条件包括 参考灵敏度 小信号 可用输入范围 大信号 邻道选择性阻塞干扰抑制交调干扰抑制噪声干扰抑制衰落信道多径衰落和多普勒频移 有用信号 干扰信号和信道仿真 数字信号源 信号混合 数字系统传输数据比特 接收质量的衡量主要从比特错误率 误码率 来衡量接收质量 信道衰落模拟器 典型的数字调制收发信机部件或器件测试模型 驻波比 回波损耗增益等传输特性噪声系数相位 群时延相位噪声 使用传统网络分析仪 噪声系数分析仪等测试器件特性 误差矢量幅度波形质量互补概率分布CCDF相关测试 收发信机的关键器件和部件包括 双工器 放大器 混频器 滤波器 振荡器和AD DA组件主要包括 自动增益控制 AGC 自动频率控制 AFC 自动功率控制 APC 等 时域测量时变过程时间选择分析频域测量宽频率范围信号搜索邻道和带外杂散各种功率参数噪声的测量调制域测量调制格式和调制参数调制精度 利用矢量信号分析仪进行测量 数字调制信号的基本测量方法 信道内参数In Channel 信道外参数OutofChannel 频段外参数OutofBand 信号功率信号功率 时间关系信号频率调制参数及调制精度邻道功率比 ACPR 信道内测试In channel信道外测试out channel 频段内测试 In band 杂散谐波 频段外测试 Out band 频域测试 数字调制信号的参数测量 信道功率测量 3GPP2cdma2000信号信道功率测试实例 信道功率是被测信号的频率带宽中的平均功率功率过小 则会影响链路质量 若功率过大 会干扰其它通信设备 且缩短手机电池使用时间对于CDMA系统 总干扰是对容量的限制因素 控制每个手机的发射功率对于实现最大的系统容量十分重要发射功率的准确控制 对于系统容量 覆盖和信号质量而言很关键 占用带宽测试 OccupiedBandwidth 3GPPWCDMA信号占用带宽测试实例 占用带宽表示给定的已调信号总功率的某个百分比 99 占用多宽的频谱图中信号的占用带宽为4 3897MHz在规定带宽之外产生的功率都是失真 谐波或互调 类噪声信号的峰均比 类噪声信号的时域显示确为杂乱噪声 互补累积概率函数CCDF曲线是由概率密度函数 PDF 和分布函数 CDF 导出的如图为正态分布的概率密度函数将PDF积分就可以得到CDF对CDF只取峰值功率大于等于平均功率的部分 且对函数取补 使之成为单调下降曲线CCDF 1 CDF 就是CCDF曲线 信号的互补累积分布函数CCDF 数字调制信号不再是连续稳定的信号 其包络变化剧烈峰值功率与平均功率之比 峰均比 和CCDF曲线是针对这类信号的时域波形的统计测量CCDF曲线表示功率等于或大于一定的峰值 平均值比的累积概率例如在CDMA系统中 信号的统计特性取决于在同一时间有多少码信道在工作以及码信道的组合方式 发送的码道越多 达到一个给定峰均比的概率就越大高的峰均比会导致失真 甚至造成一些元器件的累积损坏 CCDF曲线 突发信号功率参数脉冲宽度Pulsewidth上升时间Risetime下降时间Falltime峰值功率Peakpower开启时间Ontime关闭时间Offtime占空比Dutycycle关断功率Offpower 突发功率成形误差上升时间与下降时间过短造成频谱扩散脉冲宽度误差功率误差频率漂移过冲误差 TDMA TDD 频率捷变 FrequencyAgile 系统 定时测量 1 0dB 1 0dB Power Time 10 S8 S10 S 6 0dB 30 0dB 10 S8 S10 S 30 0dB 6 0dB 4 0dB 功率对时间关系测试 GSM信号功率对时间关系测试要求 如图是GSM测试规范中要求的功率对时间测试可以看到信号的时域包络必须限制在规定的模板中 上升沿和下降沿既不能太快 也不能太慢该测试项目可以使用频谱分析仪的零扫宽 ZeroSpan 来测试 当频谱分析仪处于零扫宽时 观测输出突发脉冲信号的时域包络 调制域参数测试和分析方法 调制域指标测量误差矢量幅度 EVM 相位和频率误差波形质量 RHO 如果RF信号已经被调制 则基带信号的质量可以通过与一个理想基准信号比较加以分析这个基准信号通常是由测量仪器以数学方法导出若原来数据序列能够被恢复的话 解调时在恢复基带I与Q之前采用适当的滤波 并以符号速率对这些信号取样 去恢复各符号 数字调制误差的定量参数EVM 误差矢量幅度 EVM 进行误差矢量EVM测量时 分析仪对信号取样 捕获实际信号轨迹 同时对该信号进行解调 并得到参考信号EVM本身也是矢量 包含幅度和相位分量EVM是误差矢量的幅度与最高符号的幅度或平均符号功率的平方根归一化的结果 单位是百分比 数字调制误差的测量过程 为了测量信号的矢量误差 就必须实现与信号调制格式相匹配的解调器和调制器 以便产生精确的参考信号波形 需要设置预设的调制分析参数 矢量信号分析仪里需要设置预设的调制分析参数 与产生数字调制信号相似解调和分析数字调制信号也同样需要三个参数 调制方式 ModulationFormat 被测信号的调制方式 所以在调制形式是保证正确的调制符号映射 同时正确的符号速率设置可以使解调器在合适的时刻进行符号状态判决 得到无误码的解调数据符号速率 SymbolRate 为被测信号的符号速率滤波器形式及参数 FilterTypeandCoefficient 测量滤波器 保证对被测信号正确解调 需要与被测信号使用的滤波器进行匹配参考滤波器 保证参考信号的正确合成 在调制器中使用的是参考滤波器 需要实现完整的滤波器响应 数字调制测量所需的基本参数 符号点位置EVM 符号间过程EVM EVM的时域显示 如果EVM的平均超标 可以通过显示图发现其所在的符号位置可以由图观察在符号点之间的EVM变化情况 可以说明调制过程的误差如果判决点EVM超标 可能是符号间串扰如果符号间的EVM过大 滤波器形式与参数可以有问题精确的显示和测量EVM随时间的分布 必须有足够采样点数目 上图为EVM幅度 下图为信号波形黑点为信号符号点 虚线处的EVM较大 出现在信号接近过零时 NADCSignal 4DQPSK Fs 24 3KHz EVM的频谱显示 EVM频谱是另一个重要的EVM分析方法原始信号频谱和EVM频谱的形状非常相似其区别是它们的动态范围不同 原始信号频谱动态范围较大 信号和噪声之间比值很大EVM频谱动态范围都较小 对于分析强信号中隐含的误差信号很有作用 原始信号频谱 EVM频谱 矢量误差产生原因实例分析 单频干扰淹没在调制信号频谱内 通过对矢量误差的FFT处理 发现噪声背景中的单频干扰 信号星座显示扩散 通过调制域分析的EVM频谱 可以看到在中心频率的旁边有一个干扰信号混合在其中 通过它和中心频率的频率差可以在电路中寻找低频误差信号的来源 相位和频率误差 频率误差 相位误差 相位误差曲线 信号时域包络 总相位误差曲线 矢量信号分析仪对发射机输出信号采样 捕获实际的相位轨迹 同时进行解调 并用数学方法导出参考的相位轨迹对于实际信号和参考信号进行比较 就可得到信号总相位误差矢量该矢量的平均斜率便是频率误差而除去频率误差后的短时相位变化定义为相位误差 均方根植和峰值 对于GSM系统所采用的GMSK一类的恒定包络调制方式而言 I Q相位误差和频率误差的测量是比EVM更合适的信号质量的测量 波形质量 WaveformQuality CDMA系统采用了波形质量 RHO 为数字调制质量的度量标准RHO值是在单一码道情况下对信号进行测量 它是理想码道相关功率与发送信号总功率之间的比值波形质量的结果在0和1之间 即理想情况下为100 在cdma2000系统中 要求移动台发射信号的波形质量大于94 4 多余功率信号表现为其它用户产生的噪声 调制域参数测试和分析方法 调制域分析工具星座图 ConstellationDiagram 矢量图 VectorDiagram 误差矢量值与时间和频率的关系幅度误差和相位误差与时间和频率关系I Q信号波形 I Qwaveform I Q信号眼图 I QEyeDiagram GMSK信号格栅图 TrellisDiagram 自适应均衡及其频率响应和群时延测量码分多址信号的码域分析 包含较多噪声的 4DQPSK信号的星座图 星座图 ConstellationDiagram 星座图反映调制形式准确性星座图显示出了判决点的相位误差以及幅度误差通过星座图 可以直接观察功率电平的变化 滤波器影响以及符号间串扰的现象 4DQPSK信号星座图有8个星座点 由于包含较多噪声 每个星座点处呈现发散现象 这就是信号的幅度和相位误差的来源 矢量图 VectorDiagram 200个符号的 4DQPSK信号的矢量图 由矢量图可以看到滤波器对载波状态变化的影响 符号点之间的连线是曲线 由于滤波器的时延效应延迟了信号的变化通过矢量图可以观察已调波的包络起伏变化 载波任一点的矢量与原点的距离的变换反映了信号包络的起伏 包络起伏越大 对系统线形的要求越高 矢量图不仅显示星座点 而且显示星座点之间的转换过程星座点连线任一点表示某一时刻载波瞬时值 它可以用I Q分量或极坐标幅度 相位值表示 I Q I Q I Q相位不正交 I Q增益不平衡 通过星座图分析调制误差 I Q I Q偏移 引入了直流偏移 I Q I Q调换 本振相位产生倒置 00 10 11 01 通过矢量图分析调制误差 带内单频干扰 噪声干扰 当存在较小的随机噪声时 有用信号星座点周围会形成发散 其半径对应于两个信号的幅度关系如果存在带内单频干扰 在星座图分布取决于它们相对的相位关系当有用信号与单频干扰信号相对独立时 其混合的星座图表现为围绕有用信号星座点的圆 其半径对应于两个信号的幅度关系 16QAM I Mag Time I和Q眼图 观察数字调制信号的另一种方法是采用眼图 可生成两张不同的眼图 一张是I通道数据 另一张是Q通道数据好的信号具有一个 张大的眼睛 交点对应星座图上符号点位置 调制质量越高 交点越集中眼图以无限持续的方式反复显示I和Q幅度对时间关系 在符号判决的时刻是符号状态区分最大的情况 GMSK信号相位 时间关系测量 格栅图 GMSK信号相位vs时间格栅图 若发送二进制的 1 每符号变化90 时为上升斜坡若发送二进制的 0 每符号大约变化 90 显示为下降斜坡发送全 0 或全 1 相位轨迹是固定斜率的单调上升或单调下降的直线格栅图对于区分漏发 漏码或者寻找I Q调制器和映射算法中的盲点十分有用 格栅图用于区分漏发 漏码或寻找I Q调制器和映射算法的盲点图中显示了GSM系统使用的GMSK信号的格栅图 利用自适应均衡分析线性失真 矢量信号分析仪内置均衡滤波器后 被测信号的EVM和矢量图测量结果变好 说明信号存在线性失真这样我们可以通过均衡滤波器的频率响应和时域冲激响应来分析被测信号的线性失真图中显示的传递函数是比特到射频的频率响应 其时域为冲激响应 当信号通过传递函数含频响不平坦及群时延变化的部件或器件后 就会发生线性失真各部件的组合线性失真的传递函数用H f 来表示时域自适应均衡可以消除电路 器件及传输路径引起的线性失真使用一个传递函数为1 H f 的自适应均衡滤波器 使线性失真减到最小 码域功率的测量 CDMA系统中具有多个码信道的信号可以在码域进行分析对码分多址信号需对其进行码域功率 CDP 测量 以及在单码道上对调制精度进行测试 并在此基础上测量PCDE 峰值码域误差 码域功率测试中使用的CDMA时间参考从导频信道中导出采用码相关算法进行解码 确定每个码道的相关系数因子解码后可以计算每个码道的码域功率 3G系统码域功率的测量 3G系统每个信道的沃什码的长度可能不同 根据其沃什码的运算程序 可以用不同的 码层 来区分不同长度的沃什码观察码域功率时除了区分不同的码通道及其所占的功率大小外 还希望能分辨出每个码对应的码元速率所属码层 纵轴为码道功率 横轴为相关码 各码道一经解码 便可以计算每个码道的码域功率测量码域功率是验证基站或手机在每个码道上发送正确的功率测量未激活码道功率电平也很重要 可以指示调制质量问题 带外信号测量 邻道功率比ACPR 邻道功率比 AdjacentChannelPowerRatio 测试 是针对信号非线性失真的重要测试邻道功率ACP反映系统中某频率信道信号对相邻信道信号及相间隔信道信号的干扰性能 邻道功率比ACPR定义为相邻信道和次邻信道的平均功率与发送有用信号信道平均功率之比ACPR指标会直接引起相邻信道信号质量的下降 一般频分信道射频设备必须保证该指标满足要求图中显示了CDMA信号ACPR测量的结果 上边带 61 87dBc 73 25dBm下边带 61 98dBc 73 37dBm 频谱模板 SEM 的测试 频谱杂散 Spurious 包括谐波和非谐波成分 它们是由射频电路非线性失真引起的谐波是发射载频的整数倍 一般测量2 3次谐波 非谐波是各种信号的交调产物 可以是任意频率频谱模板SEM SpectrumEmissionMask 是按照标准示出各个频率范围中的门限电平SEM可以观察和判断杂散分量是否超过标准 以判断系统是否通过测试 兰色为SEM 红色为信号频谱 信号分析仪器介绍 扫频式频谱分析仪中性能便携式频谱仪 E4402B E4404B E4405B E4407B高性能便携式频谱仪 8560EC 562EC 8563EC 8564EC 8565EC高性能台式频谱仪 E4443A E4445A E4440A E4446A E0447A E4448B矢量信号分析仪E4406A 89601A 89610S 89611S 89640S 89641S 89650S E4443 3Hzto6 7GHz 89640S dcto2 7GHz A f f 1 f 2 滤波器扫描测试 宽测试频率范围 可覆盖至110GHz 测试稳定连续信号和周期变化信号提供信号基本参数 功率 带宽 杂散等不能反映被测信号的相位信息不能测试瞬态突变信号 扫频式频谱仪工作原理图 扫频式频谱分析仪 频谱分析仪的应用范围 应用 调制参数和波形 噪声和信号失真对于数字调制信号 要求高性能频谱分析仪在中频实现数字化 通过各种算法对信号进行矢量分析 实现对调制参数的测量测量功率 占用带宽和功率对时间关系等测量因系统非线性引起信号失真的带外测量频谱的谐波和杂散 邻道干扰 频谱模板无线通信中有两类噪声信号 一类是传统的噪声 另一类则是类噪声的有用信号 如CDMA信号伪随机