數(shù)字或矢量調(diào)制可以提供更高的頻譜效率、更高的數(shù)據(jù)安全性、更高質(zhì)量的通信。但其代價是系統(tǒng)的復雜性增加，進而導致測試困難度提高。
將矢量信號分析(VSA)添加到示波器，可以減少必需的測試儀器，并通過在單個儀器中整合分析來簡化測試過程。本文將介紹矢量信號和有效測量這種信號所需的分析工具。
矢量狀態(tài)測量
矢量或正交信號的產(chǎn)生通過在每一符號發(fā)送過程中發(fā)送多個位碼，從而實現(xiàn)高頻譜密度?？紤]用每個發(fā)送符號對兩個數(shù)字位進行編碼的正交相移鍵控(QPSK)。這兩個位可以選用00、01、10和11這四個值中的任意一個。
QPSK使用相位調(diào)制來對這些值進行編碼，為兩位數(shù)值中的每一個分配一個獨特相位。通過將數(shù)據(jù)流分解成稱為同相(I)和正交(Q)分量的兩個正交分量，即可產(chǎn)生相移。再這些具有固定90°相差的分量上添加不同的幅度權重，可以產(chǎn)生任何可能的相位。在QPSK中，組合加權的I和Q分量以產(chǎn)生45°、135°、225°和315°的相移。這可以通過在X-Y顯示中交叉繪制I和Q分量來視覺呈現(xiàn)。如圖1所示，即使用了Teledyne LeCroy VectorLinQ軟件選項。
圖1：交叉繪制QPSK信號的I和Q分量，產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換或軌跡圖，以顯示每個編碼雙對(bi-pair)的相位和幅度，以及狀態(tài)之間的過渡路徑。參考(理想)狀態(tài)如“x”標記，測量狀態(tài)以紅色顯示。
圖1顯示在左邊的兩個網(wǎng)格中獲得的I和Q分量的波形；右側(cè)X-Y圖中是QPSK信號的狀態(tài)轉(zhuǎn)換或軌跡。軌跡圖上的綠色“×”符號標記理想或參考狀態(tài)位置，并可由用戶定制。紅色區(qū)域顯示測量狀態(tài)位置。藍色軌跡顯示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換路徑。相關的X-Y圖是星座圖。稍微深入細節(jié)，星座和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖之間的區(qū)別是：星座圖具體顯示了恢復的符號時鐘時間(紅點)處的信號位置。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖顯示了這些點以及軌跡(信號從一個符號到下一個符號的遵循路徑)。
理想情況下，測量的狀態(tài)位置應處于參考狀態(tài)之下。它們的位置與理想位置不同的程度可通過錯誤矢量幅度(EVM)參數(shù)來測量，該參數(shù)也顯示在設置對話框的左上方。顯示為EVM的數(shù)值是在該采集期間捕獲的所有數(shù)字狀態(tài)的幅度誤差的RMS值。它同時也顯示相位差，等于每個狀態(tài)的信號矢量與理想?yún)⒖际噶恐g的相位差。顯示為相位差的值是在信號采集期間捕獲的所有狀態(tài)的RMS。
調(diào)制載波
I和Q分量用于相位調(diào)制載波進行傳輸。矢量信號分析儀能夠采集和解調(diào)這樣的信號用于矢量分析，如圖2所示。
圖2：解調(diào)和分析100MHz載波上的QPSK信號，顯示處理信號時的時間和頻譜圖。
圖2是處理有關分析調(diào)制RF載波處理的“故事板”(Story Board)。如同左上格柵中的軌跡M1所示的信號源，就是一種已經(jīng)被1M符號/秒的QPSK信號相位調(diào)制了的100MHz RF載波。緊臨該信號源的右側(cè)網(wǎng)格是調(diào)制載波的快速傅里葉變換(FFT)。FFT提供信號的頻域或頻譜圖。它顯示一個頻譜峰值，表示以100MHz為中心的源信號。顯示屏底部的對話框顯示由模板控制的VSA軟件處理流程。
有兩個默認模板：一個用于基帶I和Q處理；另一個用于RF處理，如圖2所示。其過程從100MHz為中心的帶限(band-limiting)高斯濾波器開始。其后是正交混頻器，其中信號與100MHz本地振蕩器混頻、并下變頻至基帶。
混頻器的輸出被低通濾波，僅保留基帶信號分量。該濾波器實際上與發(fā)射器端一種相同的濾波器相匹配，以減少符號間干擾(ISI)。請注意眼圖正好在時鐘點(眼中心)“重合在一起”。這是匹配的奈奎斯特(Nyquist)濾波的一種表現(xiàn)。當然，在發(fā)射器上使用這種濾波器，也有助于減少占用信道帶寬。
該過程的下一步是載波估算器。該算法估算并補償載波中的殘余頻率偏移。其后是個均衡器，用于校正信號中任何與頻率相關的失真。最后，相位估算器測量載波源和本地振蕩器之間的相位差。結(jié)果輸出包含基帶I和Q信號。
圖左頂部的第二個網(wǎng)格顯示I分量。其下是I分量的放大視圖。Q信號分量在圖左側(cè)頂部向下數(shù)的第四個網(wǎng)格中顯示。其放大視圖位于左側(cè)的底部網(wǎng)格。
緊挨著I和Q分量的右側(cè)是這些信號的光譜圖。請注意：這些解調(diào)信號的頻譜已經(jīng)從0Hz開始頻移到基頻。
解調(diào)的I和Q分量是攜帶數(shù)字信息的不歸零(NRZ)信號。緊挨著I和Q變焦軌跡的右側(cè)是每個分量的眼圖。眼圖有助于驗證這些信號的完整性。
X-Y顯示提供對I和Q分量以及我們討論過的測量參數(shù)的視覺分析。目前有十四種不同的參數(shù)可用。
共有六種可用于信號操作的處理功能塊。這些處理工具允許該軟件使用PSK、QAM、Circular QAM、ASK或FSK調(diào)制來處理基帶或RF載波。還有一個自定義的MATLAB過程，允許用戶使用MATLAB編寫自己的自定義處理函數(shù)。
正交幅度調(diào)制
為了提高數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的頻譜效率，必須提高每個傳輸符號(荷載)的位數(shù)。實現(xiàn)這個目標的方式之一是通過調(diào)制載波相位和振幅，對數(shù)字數(shù)據(jù)進行編碼。這就是正交幅度調(diào)制，即QAM。
最常見的格式是16QAM，其中每個符號傳輸?shù)?位編碼為16種不同的振幅和相位組合。從QPSK移植到16QAM，可在不增加所需帶寬的情況下，讓數(shù)據(jù)速率倍增；通過引入較低幅度的符號狀態(tài)這種做法，意味著這種設計中的SNR裕度變得更緊。
RF調(diào)制16QAM信號的VectorLinQ視圖如圖3所示。
圖3：16QAM信號的分析，包括星座圖和參數(shù)。
相同的處理方式已被應用于搭配此例中所使用的25MHz載頻。在這種情況下，并未示出軌跡路徑，僅顯示測量狀態(tài)位置和參考狀態(tài)；這就是星座圖。從星座圖可以看出，有16種狀態(tài)表示4個位的所有可能值。眼圖現(xiàn)在有4個層級和3個中度的眼睛開口。還要注意，顯示屏底部顯示13種與矢量相關的測量參數(shù)。
VSA軟件最多支持8個同時處理流。這可實現(xiàn)多種操作，例如比較不同處理情況的結(jié)果。
考慮圖4所示的雙流處理。
圖4：使用8種處理流中的2種，以比較不同基帶濾波器對解調(diào)器性能的影響。
在本例中，使用兩種不同的處理設置(每個流各對應一個)對1GHz、8-PSK信號實施RF下變頻和解調(diào)。除了下變頻后使用的基帶濾波器，兩種過程基本上是相同的。流1(圖4左側(cè))采用500MHz高斯濾波器；而流2(圖中右側(cè))使用40MHz的根升余弦濾波器。眼圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的并排對比顯示使視覺分析相當容易，而測量參數(shù)則提供定量數(shù)據(jù)。
在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中比較狀態(tài)矢量的離差(dispersion)表明：流2的濾波器產(chǎn)生更緊密的分組。并且比較EVM參數(shù)測量值，流1的EVM為5.8％，流2的EVM表現(xiàn)更好，為1.3％。眼圖還顯示了流2的濾波器配置可產(chǎn)生更寬的開口。
結(jié)論
在示波器上處理、顯示、測量和分析矢量調(diào)制信號的能力是一種強大的工具。使用矢量調(diào)制信號時要考慮的關鍵特性包括：用于確定信號矢量幅度精度的星座和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；用于驗證頻率內(nèi)容的相位和頻譜視圖；以及用于確認信號完整性的眼圖。具有對RF載波進行解調(diào)并提取基底I和Q信號分量的能力，使這些工具相得益彰。
