频谱分析仪应用

频谱分析仪 应用 有线数字电视系统中 模拟视音频信号按照MPEG 2标准经过抽样 量化及压缩编码形成基 本码流ES 把基本码流分割成段 并加上相应的头文件打包形成打包的基本码流PES 在传输时 将PES包再分段打成有固定长度188B的传送包码流TS TS流经系统复用加入PSI SI及加密信息形 成多路节目传输流 最后经过QAM调制及上变频形成射频信号在HFC网中传输 在用户终端经解 码恢复模拟音视频信号 可见保证网络正常运行 机房是关键 机房完成了信号的编码 复用和调制 以及关键信 息的插入 因而需要对机房进行码域和调制域的全面且长期的监测 保证信号的长期稳定 其 次 干线和用户分配网络由于风吹日晒器件老化 或者人为损坏 调试不当都会时刻造成网络 的恶化 因此需要对干线和用户分配网络进行定期的检查和维护 对用户反馈问题即时的予以 维修解决 众所周知 数字电视误码率 BER 影响图像质量的最终因素 变化的 悬崖效应 数字 电视网络的维护相比模拟电视网络的维护要求更高 要提前找到并排除问题 影响服务质量的 指标归结起来主要有 调制误差率 MER 比特误码率 BER 误差矢量幅度 EVM 载噪 比 C N 信道功率 Power Level 星座图等组成的射频和调制指标 以及码流的各级监 测指标 1 1 误码率测量 误码率测量 BERBER 影响数字电视最终接收效果的直接指标是BER 当信号质量好的情况下 纠错前与纠错后的 误码率是相同的 但有一定干扰存在的情况下 纠错前与纠错后的误码率就不同 纠错后的要 更低 典型目标值为1E 09 对于数字电视而言 这时观看效果清晰 流畅 准无误码为BER为 2E 04 偶然开始出现局部马赛克 还可以观看 临界BER为1E 03 大量马赛克出现 图像播放 出现断续 BER大于1E 03完全不能观看 尽管较差的BER 表示信号品质较差 但BER指标只具有 参考价值 并不完全表征网络设备状况 因为BER 测量侦测并统计每个误码 问题可能是由瞬 间干扰或突发噪声引起 MER可为接收机对传输信号进行正确解码的能力提供一个早期预警 当 信号质量降低时 MER将会减小 随着噪声和干扰的增大 MER逐渐降低 而BER仍保持不变 只 有当干扰增加到一定程度 MER继续下降 BER才开始恶化 2 2 调制误差率测量 调制误差率测量 MERMER 在数字电视中 MER是表征数字信号质量的最重要指标 它精确表明数字信号在调制和传输 过程中所受到的损伤 也一定程度上说明该信号是否能被解调还原 以及解调还原后信号质量 状况 QAM调制信号从前端输出 经各级网络传输 入户 其MER指标会逐渐恶化 MER的经验门 限值对于64QAM为23 5dB 对于256QAM为28 5dB 低于此值 星座图将无法锁定 判决 另外对 于网络不同部分的MER指标也存有一些经验值 64QAM时在前端要求 38dB 分前端 36dB 光节 点 34dB 用户端 26dB 所以要求使用QAM分析仪对MER指标进行测量 但是这些经验值 在最 终测量时会有一些差异 造成我们难以确定最终门限 这主要是因为影响MER的因素不是只有高 斯噪声 而且包括接收星座图上所有其它不可校正的损伤 因此 需要具有星座图 最好是MER 损伤分析的仪器做全面的测量分析 才能确定各级维护门限和找到MER下降的原因 3 3 星座图分析方法星座图分析方法 对于我们在测量了平均功率 MER BER后还不能解决问题的情况 星座图是很好的工具 它 能够帮我们找到问题所在 星座图能找到诸如噪声干扰 连续波干扰 调制器输出误差 增益 压缩 相位噪声等各种引起接收问题的原因 帮助您迅速锁定并解决问题 频谱分析方法频谱分析方法 数字网络测试的最基本工具数字网络测试的最基本工具 对于网络来说 最麻烦也最难查找的故障就是侵入干扰或者寄生干扰 通过QAM分析 我们 一般能预见这样的干扰存在 但要最后锁定干扰来源 并最终排查干扰 必须得借助频谱分析 频谱分析能让我们直观的看到干扰信号 并通过对各种可能存在的干扰信号频谱的对比 通过 对网内 往外信号的逐一测试即可找到干扰所在 也难怪频谱分析仪被称为射频分析的万能仪 器 利用频谱图进行分析 关于频谱分析仪的使用将按天津市德力电子仪器有限公司生产的DS8831Q频谱分析仪为 例加以说明 一 一 仪器界面详解仪器界面详解 二 测试指标二 测试指标 1 BER 测试测试 BER 比特误码率 是发生误码的位数与传输的总位数之比 BER 被叙述为大量传送码的错误码比率 10 的几次方来表示 例如测量得 3E 7 表示在一千万次 传送码有 3 次被误解 此比率是采用少数的实际传送码来实际分析并统计而推估的值 越低的 BER 代表越好的效能表现 BER Pre FEC 纠错前误码率 FEC 纠错算法可以检测出错误比特的数量 同时还可以纠正其 中的一部分错误 纠错前的误码率就是实际发生错误的比特数量和总的传送比特数量的比值 BER Post FEC 纠错后误码率 FEC 纠错算法在检测出有多少错误比特后 根据自身的纠错能 力 纠正错误比特当中的一部分或者全部的错误 用还没有被纠正的错误比特数量与总的传送 比特数量进行比较就是纠错后的误码率 当信号质量很好的情况下 纠错前与纠错后的误码率 数值是相同的 但有一定干扰存在的情况下 纠错前和纠错后的误码率是不同的 纠错后的误 码率要更好 典型的目标值为 1E 09 尽管较差的 BER 表示信号品质较差 但 BER 不只是测量纯粹 QAM 信号 本身的情况 因为 BER 测量侦测并统计每个被误解的码 他是一个灵敏的指标可指出问题是由 瞬间的或突然发生的噪声干扰 当测量值低于门限值时 显示的测试结果将改变颜色 给用户以提示 当测量值低于门限值时 显示的测试结果将改变颜色 给用户以提示 2 MER 测试测试 2 1 定义 定义 调制误码率 MER Modulation Error Ratio 对于 QAM 接收机接收到的每个符号 I 和 Q 是 QAM 接收机星座图中接收对于 QAM 接收机接收到的每个符号 I 和 Q 是 QAM 接收机星座图中接收想位置 星座图中定义的符 号所在方框的中心 到接收到的实际符号位置的距离 N 是一段时间内捕获符号的点数 它一 般比星座图中的点数多 定义原理如下图 22 1 10 22 1 10 log N jj j dBN jj j IQ MERdB IQ 理想符号矢量幅度的平方和除以实际符号误差矢量幅度的平方和 计算的结果取对数以 dB 表 示 定义为 MER 在测量时 QAM 分析仪首先对被测量数字调制信号进行接收和采样 调整信号经解调后 与基准矢量信号进行比较 被测矢量信号与基准矢量信号之间的差矢量信号被称为误差矢量信 号 误差矢量信号中既包含幅度误差信息 也包含相位误差信息 在干扰小的时候 MER 值大 随着干扰的增大 MER 值变小 MER可以被认为是信噪比测量的一种形式 它将精确表明接收机对信号的解调能力 因为 它不仅包括高斯噪声 而且包括接收星座图上所有其它不可校正的损伤 如果信号中出现的有 效损伤仅仅是高斯噪声 那么MER等效于信噪比 2 2 定义 定义 ENM 估计噪声裕量 2 3 定义 定义 EVM 矢量误差幅度 和 MER 相关的参数是误差矢量幅度 EVM 它的定义为 22 1 2 max 1 100 N jj j IQ N EVM S 线性比值 其中 Smax 是 M 相 QAM 相位图最远状态的矢量的幅度 I 和 Q 是由损伤引起的接收的数据点和理想的 QAM 相位图的点的误差 N 是在数据 抽样中捕获的点数 EVM 是在 IQ 同相与正交 星座图上检测到的载波与其理论上的准确位置之间的距离 是 误差信号矢量 与 最大信号幅度 之比 表达为 RMS 百分比值 在干扰小的时候 EVM 变化很 快 当接近数字信号即将崩溃的悬崖时 变化缓慢 EVM 的定义和测量原理与 MER 非常相似 也是采用误差矢量的幅度来描述调制失真 只 是在测量参数的定义上略有区别 MER 和 EVM 的区别在于评价的基准不同 MER 以基准矢 量幅度的有效值为基准 而 EVM 则以基准矢量幅度的峰值为基准 3 调制失真 调制失真 3 1 定义 定义 相位抖动 PJ 此项测量能够表明用在电缆分配系统 也就是 QAM 调制 器或频率变换器 中的本地振荡器的相位起伏和频率起伏 3 2 定义 定义 正交误差 QE 供给 I Q 调制器的两个载波的相位是正交的 如果这两个 载波的相位差不是90那么星座图就会出现一个典型失真的结果 此项测量通常表明 QAM 调制 器中两个载波的相位差不是 90度 3 3 定义 定义 幅度不平衡度 AI 由于 I Q 调制部分正交载波幅度的不平衡度造成星座 图 I Q 两轴增益不一致 从而造成接收符号脱离理想星座点 接收星座图变成长方形 使 MER 和 BER 指标下降 通常是 QAM 调制器造成这个问题 4 噪声失真 噪声失真 4 1 定义 定义 信噪比 SNR 信噪比定义为高频信号解调后所得的基带信号功率与噪声功率之 比 在模拟电视中我们常使用 C N 来表征信号质量 噪声来源于几种情况 网络传输中引入噪声 潜入调制信号中的幅度噪声 相位噪声 码 间串扰和调制损伤等 应在解调后的星座图数据中测量信噪比 对于星座图中的每一符号 从 其云状轨迹可以得出其统计分布 在去处了正交失真 幅度不均匀 原点位移误差残留载波 非线性失真 相位抖动 同频干扰的影响之后 剩余的云状轨迹可以认为是由高斯噪声引起的 这剩余的云状轨迹也是计算信噪比的基础 当去除了高斯噪声之外 所有以上谈到的错误都被 排除后 可以认为 MER 与 S N 有相同的值 4 2 定义 定义 载波抑制 CS DVB C的QAM调制是抑制载波的调制方式 所以一个残留的 载波信号是叠加在 QAM 信号上的一个有害的连续波信号 一个 QAM 信号如果载波抑制不 够 产生的星座图中的 I Q 值对 在水平或者垂直方向上平移 I Q 值对不在所定义区域 的中心位置上 4 3 定义 定义 同频干扰 相干干扰 CI 在一个星座图中 一个正弦波干扰将会改变系 统中每一个点的噪声云的形状 变成圆圈的形状 此正弦波落在数字信号的8MHz频道内 从 云状的统计失真中 如果干扰在一定的限度之上 那么干扰的幅度可以计算出来 5 功率测试 功率测试 5 1 定义 定义 频率偏移 用户进行测量时输入的数字信号的中心频率和 QAM 分析仪实际测 量到的数字信号中心频率的偏移 5 2 定义 定义 码率偏移 机顶盒与测量仪器对比较小的符号率偏移可以容忍 通过测量仪器 可以发现这种比较小的符号率偏移 在出现更大的符号率偏移之前及时的发现问题 当出现了 大的符号率偏移时 机顶盒和测量仪器将无法锁定信号 机顶盒看不到电视图像 用户测量时 输入一个已知的符号率 这里显示实际符号率和理论上所给出的符号率是否有偏差 5 3 定义 定义 平均功率 信道平均功率的测量是指对被测信道信号平均功率的测量 这个指 标的测量可以使我们对测量点的信号强度有一个准确的认识 从而保证从前端到用户整个传输 工程中信号的强度在一个适当的范围内 对于 64QAM 调制 通常建议其数字频道平均功率要调整为比同系统的模拟频道峰值电平 低 10dB 对于 256QAM要低 6dB 产生这样的要求 是基于两个原因 数字信号抗干扰能力强 对载噪比要求比模拟信号低 所以数字电视信号 可用比模拟信号低 得多的幅度进行传送 这样每个数字频道的传送功率降低 整 个通带内总传送功率就降低 干 线放大器的总体输入功率就会降低 因此在同一 个线路中可以传送比原来更多信号 更多内容 另一个主要原因是 通常 64QAM 调制的数字频道 其频道内统计峰值电 平比平均功率高 约 10dB 为避免放大器失真 产生互调干扰 干扰其他频道信 号 需要使数字频道的峰值电 平调整到同模拟频道的峰值电平相同大小的程度 这样 64QAM 数字频道平均功率同比模拟 频道峰值电平就低 10dB 模拟电视信号和数字电视信号电平的区别模拟电视信号和数字电视信号电平的区别 峰值电平在模拟电视广播时用于表征频道信号电平强弱 模拟电视信号是单极性 不对称 的 即电视信号有一个固定黑色参考电平 比黑色亮的信号处在黑色电平线一边 同步脉冲处 在另一边 单极性调制载波 有两种方式 正极性调制指亮度增加时载波幅度增大 同步脉 冲始终对应发射 功率最小值 负极性调制指亮度增加时载波幅度减小 同步脉冲对应发射功 率 最大值 负极性调制由于具有受干扰小等优点 我国和世界大多数国家都采用负极性调制 测量模拟电视信号电平 使用频谱分析仪在规定带宽 300KHz对信号同步 脉冲的峰值电平 进行测量 并以此作为判别信号强弱的标准 因为这里集中了信号在频道内的主要能量 超过 98 所以可以认为对载波同步脉冲的测量可代 表信号在测量频道内的电平值 在工程维护过程中 国内通常使用模拟电视场强仪测量频道电平强弱 测量时场强仪的接 收通道调谐于图像载波频率 场强仪的 RBW 带宽为 300kHz 由于图像载波电平随图像内容 的变化而变化 所以场强仪采用峰值保持采样的方法测量图像载波峰值电平 通过换算可近似 表征频道电平的强弱 平均功率在数字电视广播时用于表征频道信号功率强弱 也称信道功率平均功率在数字电视广播时用于表征频道信号功率强弱 也称信道功率 与模拟电视峰值 电平概念和测量手段完全不同 数字调制信号类似噪声 信号在调制到射频载波前被进行了随机化处理 一个数字载波信 号 无论是否调制了数据 在频域观察时一般是相同的 而在频域中观察通常也说明不了调制 方式是 QPSK 16QAM 64QAM 只能表征信号幅度 频率 平坦度 频谱再生等信息 由于数字信号以噪声形式出现 但它更像随机加入到频域测试设备中的一组组脉冲 所以采用 平均功率判定信号强弱 数字电视信号平均功率不随调制内容的变化而变 平均功率和最大响 应没有关系 数字电视频道平均功率和带宽有关 带宽越宽信道平均功率越高 模拟电视场强 仪只对 RBW 带宽 300kHz 内的窄带峰值信号进行采样 完全不能表征在宽带 如数字电视 8MHz 内的能量 仅当该数字频道的带内平坦度相当好时可以近似换算 6 其他其他 在屏幕的上方显示了设定的符号率 Symb 在屏幕下方显示了SYMB FEC STREAM的锁定状 态 中心频率以及当前衰减器的值 三 分析功能三 分析功能 1 1 星座图分析 星座图分析 QAM 调制原理调制原理 QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合 相位 幅度状态定义了一个数字或数字的 组合 QAM 的优点是具有更大的符号率 从而可获得更高的系统效率 通常由符号率确定占 用带宽 因此每个符号的比特 基本信息单位 越多 效率就越高 对于给定的系统 所需要 的符号数为 2 这里 n 是每个符号的比特数 对于 16 QAM n 4 因此有16个符号 每个 符号代表 4 bit 0000 0001 0010 等 对于 64QAM n 6 因此有 64 个符号 每个符号 代表 6bit 000000 000001 000010 等 64 QAM 调制原理调制原理 上图显示了QAM调制的过程 经过信道编 码的二进制的MPEG 2比特流进入QAM调制器 信号被分为两路 一路给I 另一路给Q 每一路一次给3比特的数据 这3比特的二进制数一共 有8中不同的状态 分别对应8种不同的电平幅度 这样I有8个不同幅度的电平 Q有8个不同幅 度的电平 而且I和Q两路信号正交 这样任意一个 I 的幅度和任意一个 Q 的幅度组合都会在 极坐标图上映射一个相应的星座点 这样每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射 I 和Q一共有8 8共64种组合状态 各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上为下图 所显示的64QAM星座图 2 2 星座图分析功能 星座图分析功能 在一个星座图中所有 I 和 Q 信号可能的结合表现为网格形状 使它们容易说明引起干扰 的事物 星座图可想象为带方框的数组 每个方框代表一个状态或符号 在理想的数据传输情 8个电平 8个电平 8 8 64 一共64种可能的状态 Q I I 010101 分为两路 并行信号 LO 90o相移 Q 幅度调制 幅度调制 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 网络 3比特 3比特 8 组合 MPEG 2数据流 QAM输出信号 形下每个被接收的传送符号应会落在它方框的中心点 但实际上噪声 侵入干扰与反射会让传 输符号离开理论的中心点移向相邻方框的边界 相邻方框之间的分界线称为 判断门坎 如果 传送的信号被干扰推挤 导致一个符号跨越此门坎 它会被错误的理解为属于相邻方框的符号 因此成为一个错误码 干扰信号不足以推挤符号跨越门坎 则此符号永远被理解为属于正常的 星座图是一个很好的故障排除辅助工具 它可提供关于干扰的来源与种类的线索 下面的内容 给出了不同干扰对星座图造成的不同影响 3 3 星座图故障分析 星座图故障分析 1 1 相位噪声干扰的星座图 相位噪声干扰的星座图 相位噪声是振荡器相位不稳定的情况 如果此振荡器与信号处理相关 例如本地振荡器 这些相位不稳定会影响在信号上 在信号处理设备内的振荡器在设计上是只会对所处理的信号 增加非常微小的相位噪声 然而不良的调制器或变频器可能在信号上增加明显的相位噪声影响 结果在星座图上显示出绕着图形中央旋转的现象 下图给出了星座图的形状 振荡器的相位抖动是指它的频率和相位波动 用这样一个振荡器去调制数字信号 结果是 在接收机上采样的不稳定 原因是载波的恢复不能跟踪相位的波动 主要故障来源 此项测量能够表明用在电缆分配系统 也就是主要故障来源 此项测量能够表明用在电缆分配系统 也就是QAM调制器或频率变换器 中的调制器或频率变换器 中的 本地振荡器的相位起伏和频率起伏 本地振荡器的相位起伏和频率起伏 2 I Q正交不平衡的星座图正交不平衡的星座图 定义 正交度正交度 是指接收星座是指接收星座I Q轴角度是否是轴角度是否是90度度 由于 I Q 调制部分正交载波相位正交性差 造成接收星座图有正方形变为菱形 两轴增 益不一致 使MER和BER指标下降 下图给出了星座图的形状 主要故障来源 通常是主要故障来源 通常是QAM调制器的调制器的I Q调制正交性不合格造成 调制正交性不合格造成 3 I Q幅度不平衡的星座图幅度不平衡的星座图 由于 I Q 调制部分正交载波幅度的不平衡度造成星座图 I Q 两轴增益不一致 从而造成 接收符号脱离理想星座点 接收星座图变成长方形 使MER和BER指标下降 通常是QAM调 制器造成这个问题 下图给出了星座图的形状 主要故障来源 主要故障来源 QAM调制器的调制器的I Q调制载波幅度不相等造成调制载波幅度不相等造成 4 载波抑制差的星座图 载波抑制差的星座图 QAM调制是载波抑制调制方式 如果调制部分载波泄漏到输出单元 就会造成接收问题 如果载波抑制差 星座图表现为接收星座点整体平移 脱离理想星座位置 相当于星座上加直 流偏置效果 DVB C 的 QAM 调制是抑制载波的调制方式 所以一个残留的载波信号是叠加 在 QAM 信号上的一个有害的连续波信号 下图给出了星座图的形状 主要故障来源 它可能是由于调制器的主要故障来源 它可能是由于调制器的 I 和和 Q 信号的直流偏置电压引起 或者来自于调制器信号的直流偏置电压引起 或者来自于调制器 载波在调制器内引起的串扰 载波在调制器内引起的串扰 5 连续波干扰的星座图连续波干扰的星座图 信号调制 传输网络 接收设备等均会引入连续的噪声干扰 如 CSO CTB QAM 信号 中附带的噪声所产生的失真 会在星座图上形成明显的圆圈图形 如果有够多的连续噪声 在特 定方框内所显示的符号形成一个粗环图形 圆环半径的大小代表带内相干干扰幅度的强弱 下 图给出了星座图的形状 主要故障来源 放大器 及其它有源器件 失真带来的谐波产物 空间干扰主要故障来源 放大器 及其它有源器件 失真带来的