观测数字调制信号的多种方法

对数字调制信号进行观测是矢量信号分析仪的主要功能之一。眼图、星座图、矢量图、相位轨迹图是数字调制信号测量的直观表达形式，可由此衡量调制信号的质量。码元表给出了解调的最终产物——每个检测出的符号的二进制位，同时能将位组合与星座图、矢量图或眼图中数据的位置作比较，给出误差列表。其中矢量图表示状态过渡期间的功率电平，相位轨迹图表示符号状态之间的相位轨迹，星座图表示各码元点位于星座点的离散性，I和Q路眼图表示I和Q分量随时间变化的情况。

另外，矢量信号分析仪还包括同时显示信号的实、虚部时域波形，以及显示载频频率误差随时间变化曲线、相位随时间变化曲线等。

对数字调制信号进行观测是矢量信号分析的主要功能之一，可以采用多种不同的格式和功能来显示基带信号特性以及进行调制质量的分析。本书在对多种显示方式进行研究和运用的基础上，对常用的几种方式在以下进行了详细阐述。

I/Q极坐标图（矢量图）和星座图，I/Q调制质量技术参数总表，包含误差矢量幅度（EVM）、幅度误差、相位误差、频率误差、波形质量因子、I/Q偏移等误差矢量的幅度-时间和误差矢量-频率（误差矢量谱）、幅度误差-时间、相位误差-时间、幅度误差-频率、相位误差-频率眼图和网格图码元表均衡，可用于频率响应和群时延的测量码域测，矢量图、星座图、眼图、网格图是数字调制信号测量的直观表现形式，可由此衡量调制信号的质量。码元表给出可解调的最终产物——检测出每个符号的二进制表示，同时能将位组合与星座图、矢量图或眼图中数据的位置作比较，给出I/Q调制质量技术参数列表，即误差分析表。其中矢量图表示状态过渡期间的功率电平，星座图表示各码元点位于星座点的离散性，I和Q路眼图表示I和Q分量随时间变化的情况，网格图表示符号状态之间的相位轨迹。另外，矢量信号分析仪还能同时显示信号的实、虚部时域波形，以及显示载频频率误差随时间变化曲线、相位随时间变化曲线等。以上显示格式和功能的组合可用于设计中潜在故障的定位。另外，矢量信号分析仪的模拟解调功能，如解调调频或调相，可用于数字通信发射机某些特定问题的故障定位。例如，解调调相的功能常用来分析LO的稳定性。下文对常用的显示格式和功能进行详细介绍。

频谱仪具有VSA功能，可以对信号的幅度、频率、相位和EVM等进行矢量解调分析，对标准数字调制信号的解调分析，以及I/Q信号的直接分析。

1）矢量图

矢量图是在I/Q平面上的状态位置和状态之间的变迁路径的极坐标绘制，表示状态以及状态之间的过渡。在矢量图上由原点向某一点画出的矢量对应于那一瞬间的瞬时功率，即表示状态过渡期间的功率电平。

2）星座图

星座图是I/Q平面上状态位置的极坐标映射，表示所有允许符号的有效位置，所有允许符号的个数必须是2n（n为每个符号所传输的数据位）。星座图在符号判定时序点处用围绕（相当于一族）其理想位置的圆环（旋转）图形状态来揭示寄生信号。理论上，星座图应当是特定几个点。但实际系统受到各种损害和噪声的影响，从而造成状态的弥散（每个状态周围的点分散开）。符号在星座状态周围“转圈”表明可能有寄生信号或干扰音频信号。

图3-18为π/4DQPSK信号的星座图，为叠加了噪声后的π/4DQPSK信号的星座图。BPSK的星座图上只有两个点，分别在原点的两侧，两点和原点的距离相同，但是相位相差180°。QPSK在星座图上有四个点，以原点为中心，构成一个正方形。星座图上四个点到原点的距离相同，可见载波的振幅没有改变，只改变了相位。由于星座图上有四个点，即有四种可能跳变的状况，每种状况可用两个数据位来代表。在以相同速率传送信息的条件下，信号带宽仅为BPSK的二分之一。MSK在星座图上和QPSK一样有四点，但是点的移动每次只能向前或向后移动90°，不能做对角线的移动，也就是说，载波的相位不会有180°的变化，所以调制后信号频谱比较不会散开，频率的利用也就更有效率。

图3-18　分析仪QPSK矢量信号的测试图

3）眼图(www.xing528.com)

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。这两种图仅仅是I幅度随时间变化与Q幅度随时间变化的映射，就像这些是出现在符号定时瞬间触发的示波器上，在确定符号的时刻形成“眼睛”。眼图为数字信号传输系统提供了很有用的显示，它能直观地表明码间串扰和噪声的影响，能直接评价一个数字调制信号中基带信号的性能优劣。好的信号具有“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。

4）相位轨迹图

相位轨迹图又称为格形图，用于映射被测信号或理想（参考）信号的相位随时间的变化情况（每个符号的相位轨迹）。MSK（最小移频键控）信号具有恒定幅度，但要改变相位以传输信息。相位轨迹图常常用来表征这些信号，因为它们能映射每个符号上的相位过渡和轨迹。

因为数字调制信号的类似噪声特性，所以它的峰值幅度是完全不可预知的。精确地测量数字信号的功率要比测量大多数模拟信号的输出功率困难得多。数字调制信号，因为它们所有的功率在整个频带中传播，而不像模拟调制信号只在载波的边带中传播，以及具有不重复性、随机性，所以没有可预知的、重复出现的功率点测量。图3-19～图3-21为矢量信号分析仪的分析功能测试图。

图3-19　OFDM矢量信号分析仪的分析功能测试图

3-20　128QAM矢量信号分析仪的分析功能测试图

图3-21　对用Keysight 89600 VSA软件测得的WLAN 802.11ac信号进行调制分析

5）网格图

观察数字调制信号还可以采用网格图，也称为格形图，因为它看起来像花园的围网，网格图横轴为时间，纵轴为相位，用于观察符号的相位变化轨迹。它表示被测信号或理想（参考）信号的相位随时间的变化情况（每个符号的相位轨迹），通常考虑规定数目码元的相位变化。MSK（最小移频键控）信号具有恒定幅度，但要改变相位以传输信息。网格图常常用来表征这些信号，因为它们能映射到每符号上的相位过渡和轨迹。