示波器中的矢量信号分析

数字或矢量调制可以提供更高的频谱效率、更高的数据安全性、更高质量的通信。但其代价是系统的复杂性增加，进而导致测试困难度提高。

将矢量信号分析(VSA)添加到示波器，可以减少必需的测试仪器，并通过在单个仪器中整合分析来简化测试过程。本文将介绍矢量信号和有效测量这种信号所需的分析工具。

矢量状态测量

矢量或正交信号的产生通过在每一符号发送过程中发送多个位码，从而实现高频谱密度。考虑用每个发送符号对两个数字位进行编码的正交相移键控(QPSK)。这两个位可以选用00、01、10和11这四个值中的任意一个。

QPSK使用相位调制来对这些值进行编码，为两位数值中的每一个分配一个独特相位。通过将数据流分解成称为同相(I)和正交(Q)分量的两个正交分量，即可产生相移。再这些具有固定90°相差的分量上添加不同的幅度权重，可以产生任何可能的相位。在QPSK中，组合加权的I和Q分量以产生45°、135°、225°和315°的相移。这可以通过在X-Y显示中交叉绘制I和Q分量来视觉呈现。如图1所示，即使用了Teledyne LeCroy VectorLinQ软件选项。

图1：交叉绘制QPSK信号的I和Q分量，产生状态转换或轨迹图，以显示每个编码双对(bi-pair)的相位和幅度，以及状态之间的过渡路径。参考(理想)状态如“x”标记，测量状态以红色显示。

图1显示在左边的两个网格中获得的I和Q分量的波形；右侧X-Y图中是QPSK信号的状态转换或轨迹。轨迹图上的绿色“×”符号标记理想或参考状态位置，并可由用户定制。红色区域显示测量状态位置。蓝色轨迹显示状态之间的转换路径。相关的X-Y图是星座图。稍微深入细节，星座和状态转换图之间的区别是：星座图具体显示了恢复的符号时钟时间(红点)处的信号位置。状态转换图显示了这些点以及轨迹(信号从一个符号到下一个符号的遵循路径)。

理想情况下，测量的状态位置应处于参考状态之下。它们的位置与理想位置不同的程度可通过错误矢量幅度(EVM)参数来测量，该参数也显示在设置对话框的左上方。显示为EVM的数值是在该采集期间捕获的所有数字状态的幅度误差的RMS值。它同时也显示相位差，等于每个状态的信号矢量与理想参考矢量之间的相位差。显示为相位差的值是在信号采集期间捕获的所有状态的RMS。

调制载波

I和Q分量用于相位调制载波进行传输。矢量信号分析仪能够采集和解调这样的信号用于矢量分析，如图2所示。

图2：解调和分析100MHz载波上的QPSK信号，显示处理信号时的时间和频谱图。

图2是处理有关分析调制RF载波处理的“故事板”(Story Board)。如同左上格栅中的轨迹M1所示的信号源，就是一种已经被1M符号/秒的QPSK信号相位调制了的100MHz RF载波。紧临该信号源的右侧网格是调制载波的快速傅里叶变换(FFT)。FFT提供信号的频域或频谱图。它显示一个频谱峰值，表示以100MHz为中心的源信号。显示屏底部的对话框显示由模板控制的VSA软件处理流程。

有两个默认模板：一个用于基带I和Q处理；另一个用于RF处理，如图2所示。其过程从100MHz为中心的带限(band-limiting)高斯滤波器开始。其后是正交混频器，其中信号与100MHz本地振荡器混频、并下变频至基带。

混频器的输出被低通滤波，仅保留基带信号分量。该滤波器实际上与发射器端一种相同的滤波器相匹配，以减少符号间干扰(ISI)。请注意眼图正好在时钟点(眼中心)“重合在一起”。这是匹配的奈奎斯特(Nyquist)滤波的一种表现。当然，在发射器上使用这种滤波器，也有助于减少占用信道带宽。

该过程的下一步是载波估算器。该算法估算并补偿载波中的残余频率偏移。其后是个均衡器，用于校正信号中任何与频率相关的失真。最后，相位估算器测量载波源和本地振荡器之间的相位差。结果输出包含基带I和Q信号。

图左顶部的第二个网格显示I分量。其下是I分量的放大视图。Q信号分量在图左侧顶部向下数的第四个网格中显示。其放大视图位于左侧的底部网格。

紧挨着I和Q分量的右侧是这些信号的光谱图。请注意：这些解调信号的频谱已经从0Hz开始频移到基频。

解调的I和Q分量是携带数字信息的不归零(NRZ)信号。紧挨着I和Q变焦轨迹的右侧是每个分量的眼图。眼图有助于验证这些信号的完整性。

X-Y显示提供对I和Q分量以及我们讨论过的测量参数的视觉分析。目前有十四种不同的参数可用。

共有六种可用于信号操作的处理功能块。这些处理工具允许该软件使用PSK、QAM、Circular QAM、ASK或FSK调制来处理基带或RF载波。还有一个自定义的MATLAB过程，允许用户使用MATLAB编写自己的自定义处理函数。

正交幅度调制

为了提高数据通信系统的频谱效率，必须提高每个传输符号(荷载)的位数。实现这个目标的方式之一是通过调制载波相位和振幅，对数字数据进行编码。这就是正交幅度调制，即QAM。

最常见的格式是16QAM，其中每个符号传输的4位编码为16种不同的振幅和相位组合。从QPSK移植到16QAM，可在不增加所需带宽的情况下，让数据速率倍增；通过引入较低幅度的符号状态这种做法，意味着这种设计中的SNR裕度变得更紧。

RF调制16QAM信号的VectorLinQ视图如图3所示。

图3：16QAM信号的分析，包括星座图和参数。

相同的处理方式已被应用于搭配此例中所使用的25MHz载频。在这种情况下，并未示出轨迹路径，仅显示测量状态位置和参考状态；这就是星座图。从星座图可以看出，有16种状态表示4个位的所有可能值。眼图现在有4个层级和3个中度的眼睛开口。还要注意，显示屏底部显示13种与矢量相关的测量参数。

VSA软件最多支持8个同时处理流。这可实现多种操作，例如比较不同处理情况的结果。

考虑图4所示的双流处理。

图4：使用8种处理流中的2种，以比较不同基带滤波器对解调器性能的影响。

在本例中，使用两种不同的处理设置(每个流各对应一个)对1GHz、8-PSK信号实施RF下变频和解调。除了下变频后使用的基带滤波器，两种过程基本上是相同的。流1(图4左侧)采用500MHz高斯滤波器；而流2(图中右侧)使用40MHz的根升余弦滤波器。眼图和状态转换图的并排对比显示使视觉分析相当容易，而测量参数则提供定量数据。

在状态转换图中比较状态矢量的离差(dispersion)表明：流2的滤波器产生更紧密的分组。并且比较EVM参数测量值，流1的EVM为5.8％，流2的EVM表现更好，为1.3％。眼图还显示了流2的滤波器配置可产生更宽的开口。

结论

在示波器上处理、显示、测量和分析矢量调制信号的能力是一种强大的工具。使用矢量调制信号时要考虑的关键特性包括：用于确定信号矢量幅度精度的星座和状态转换图；用于验证频率内容的相位和频谱视图；以及用于确认信号完整性的眼图。具有对RF载波进行解调并提取基底I和Q信号分量的能力，使这些工具相得益彰。