數字調製信號的測試和調試技術

2020-11-15 電子產品世界

安捷倫科技最新推出的MXA系列信號分析儀(圖1)，集傳統的掃頻式頻譜儀和矢量信號分析儀的功能於一身。MXA系列的市場定位是中檔信號分析儀，目前提供4種頻段的產品，都是從20Hz開始，分別到3.6 GHz、8.4 GHz、13.6 GHz和 26.5 GHz。MXA具有極高的測量速度，基於各種通訊標準的測量功能，使其適用於生產線應用， 當然該產品也非常適合通用研發和航空、軍工科研。

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當分析數字調製信號時，分析儀的解調帶寬是一個很重要的指標，MXA標準配置可以提供高達10MHz的解調帶寬，加上B25選件之後，解調帶寬可以擴展的25MHz。當然MXA還具備信號分析儀必備的射頻性能，包括：較高的電平和頻率精度、極低的本地噪聲和很寬的動態範圍。

MXA內置了很多通訊標準的分析軟體，包括IEEE 802.16e WiMAX、WCDMA、HSDPA/HSUPA以及自動相位噪聲測量，並且可以進行數字視頻DV、WiMAX、WLAN和個人無線通訊PMR系統和組件的調製分析。而且支持現在流行的藍牙、GSM、EDGE、TETRA 1和2、TD-SCDMA和 ZigBee.等標準的測試應用。

MXA提供廣闊的頻譜分析功能和完整的信號分析功能，並且在兩者之間切換隻需零點幾秒。分析無線信號的調製結果是有一定的挑戰性的，操作者通常一開始就要面對矢量信號分析。實際上一開始進行頻譜分析，比一開始就分析複雜的調製信號更有效，使用MXA信號分析儀，採用以下的3個步驟，可以有效的測量數字調製信號，並排除故障：進行基本的頻譜測量；繼續進行頻域和時域的矢量測量；最終進行數字解調和調製質量分析，以隔離和確定問題所在。(圖2)

上述的方法非常適合研發階段，當然這個方法也可以用於產品的試生產階段。該方法有助於在產品設計的最初階段就發現問題。

傳統的頻譜測量可以提供諸如：功率、失真、信噪比和相位噪聲等基本的信號特性。傳統的頻譜測量還可以驗證變頻操作的頻率和幅度精度。MXA採用全數字中頻解析度濾波器，以及全數字中頻處理，可以提供更準確、更清晰的信號區分能力，並提高測量的精度。(圖3)

大多數數字調製信號是隨著時間變化的，例如射頻脈衝的時有時無，以及由於均衡訓練和同步序列而引起的信號變化。因此測量信號隨時間變化的特性，可以更深入的了解信號本身。幸運的是MXA可以提供三種分析信號時間特性的工具：傳統的頻譜分析；結合安捷倫89601A分析軟體的矢量信號分析功能；許多基於通訊標準的測試設置，有助於快速測量信號的特性。採用快速傅立葉變換(FFT)和數位訊號處理技術(DSP)，80601A矢量信號分析軟體提供了豐富的觸發功能，用於捕捉特定時間內的信號。這些觸發功能包括：可以調節觸發電平、保持時間、可調延遲的正/負電平脈衝觸發；可調的時間門(time gate)，用於選定被測信號的指定部分；可調節的頻率解析度和解析度帶寬濾波器的形狀，可以優化電平精度和時間對頻率變換的解析度；可以為頻譜、佔用帶寬、互補累計分布函數CCDF(complementary cumulative distribution function)和功率譜密度等複雜測量，提供時間門功能；可以捕捉並回放單次測量的結果(高達42M測量點)；可調節的FFT記錄時間，最多可達409,600點，可以一次測量極長的射頻突發信號。

基本的數字調製信號分析的參數包括：矢量幅度誤差(EVM)，相對星座圖誤差(RCE)，I/Q誤差等等。另外對於數字解調而言，正確的檢測出符號速率，判斷接收機的符號時鐘是否鎖定也很重要。

基本的數字解調要求需要正確的設置分析儀的頻率和時間參數，否則無法正確解調。基本數字解調分析會產生很多評估調製質量的參數，例如；矢量幅度誤差、相對星座圖誤差、調製誤差比 (MER)，還有直接和I/Q誤差有關的參數，如I/Q偏移、正交偏移和幅度增益不平衡。頻率和幅度的穩定度可以通過各個矢量誤差分量和基本的頻率誤差參數來評估。

MXA內置的通訊標準測試程序是學習數字調製分析的一個很好的起點。由於各項參數都已經根據標準設置好，可以減少設置的時間以及參數設置的錯誤。每一個程序都能顯示出該項測試最關心的參數，並給出方便的圖表顯示，還可以支持用戶自定義的限制線和pass/fail測試功能。(圖4)

採用圖形方式顯示矢量誤差對排除故障非常有用。分析誤差和時間的關係就是一個很好的起點。MXA內部可以產生標準的參考信號，並計算出參考信號和實際測得信號之間的矢量差，然後顯示出每一個符號或者每個時間點的矢量誤差。矢量誤差顯示的是參考信號和實際測得信號之間的差值(參考信號已經去掉)。

測量矢量誤差隨時間的變化關係，可以揭示開/關事件、脈衝幹擾、自動增益控制 (AGC)電路和快衰落現象等問題。這對於分析WiMAX(固定和移動標準)之類，調製方式在不同射頻突發之間會變化的信號特別有用。由於這些誤差是矢量，可以通過FFT轉換到頻域，用於分析矢量頻譜誤差。

標記點聯動(Marker coupling)功能是同一現象(圖5)，用不同的測量方法進行分析的一個有效方法。MXA的89601A軟體，允許用戶在4到6條不同的軌跡線上設置聯動的Marker，這幾條軌跡線可以是不同的測量值(如頻域、時域或I/Q域)。例如，一個時間軸上的矢量誤差的峰值(用一個Marker表示)，可以找出其對用的星座圖或矢量圖上的點(用聯動的Marker表示)，由此就可判斷：這個矢量誤差是由符號轉換還是由幅度異常(例如幅度壓縮)導致。

測量和排除故障的最後一步，一般牽涉到高級的解調分析，用於排除複雜的故障，例如WiMAX和OFDMA的故障。高級的解調分析技術包含：解調指定時間和指定頻率範圍內的信號，採用自適應均衡、可配置導頻跟蹤(主要針對OFDM)等技術。MXA的89601A軟體都支持上述的高級解調技術。並且89601A軟體及可以在儀器上運行，也可以通過USB、LAN和GPIB接口，在外部計算機上運行。

有些高級的調製技術利用了自適應均衡技術，來抵抗多徑和選擇性衰落。對於採用上述技術的系統，通常既要測量均衡之後的信號質量，也要分析均衡之前的信號。當分析系統整體性能的時候，需要均衡；但是測試和優化組件的「原始性能」的時候，是不需要均衡的。MXA的89601A軟體及包含通用的自適應均衡，也包含如WiMAX標準特定的均衡功能。

MXA加上89601A矢量信號分析軟體可以稱得上「三項全能」選手，該系統可以為設計和問題分析提供：高速頻譜分析；高級矢量信號分析；基於各種通訊標準的測量功能。可以快速和簡單的分析當代無線通信系統中的數字調製信號。

相關焦點

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    QPSK調製是響應進入的碼對（00、01、10、11），對光載波作移相，在每個符號放2 個比特。每個符號代表2比特。接收器將每個符號解調為2個比特，獲得一個50 Gbps的數字數據流。另外，比特要在調製前做預編碼，調製後作解碼（參考文獻3）。然後，接收器對進入的DP-QPSK信號作解調和解碼，產生四個25 Gbps的電信號。
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  • 數字通信中幾種調製方式的星座圖
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    QPSK調製是響應進入的碼對（00、01、10、11），對光載波作移相，在每個符號放2 個比特。每個符號代表2比特。接收器將每個符號解調為2個比特，獲得一個50 Gbps的數字數據流。另外，比特要在調製前做預編碼，調製後作解碼（參考文獻3）。然後，接收器對進入的DP-QPSK信號作解調和解碼，產生四個25 Gbps的電信號。
  • 信號源所涉及的相關基礎知識介紹
    3.直接數字合成（DDS） 利用數位技術進行信號波形合成，其特點是輸出頻率步進指標很高，頻率跳變速度很快，但輸出頻率範圍較窄。 圖11 改善PLL輸出信號相噪的方法 直接數字頻率合成DDS是隨著數位技術的發展而出現的新技術，原理框圖如下圖所示。
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