VSA操作及测量指标文档For QPSK130618.docx
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VSA操作及测量指标文档ForQPSK130618
VSA操作及测量指标文档（ForQPSK）
一、数字解调器工作原理1
二、数字解调器设置十步骤1
三、QPSK解调分析步骤1
四、具体指标分析（分析工具）6
4.1.IQMagError（IQ幅度误差）7
4.2.IQPhaseError（IQ相位误差）8
4.3.IQMeasTime（IQ测量时间）9
4.3.1.矢量图9
4.3.2.星座图11
4.3.3.眼图12
4.4.IQMeasSpectrum（解调频谱）12
4.5.ErrorVectorTime（误差矢量时间）13
4.6.ErrorVectorSpectrum（误差矢量频谱）16
4.7.Syms/Error（符号表/误差汇总）17
4.7.1.FreqErr（频率误差）18
4.7.2.IQOffset（IQ偏移）18
4.7.3.QuadErr（相位正交误差）19
4.7.4.GainImb（增益不平衡）19
4.7.5.SNR（MER）19
4.7.6.Rho（相关系数）20
4.8.自适应均衡器20
附一、信号误差原因诊断流程22
附二、除QPSK外其余格式所对应的测量指标数据23
1.Amplitudedroop（振幅衰退）23
2.OffsetEVM（偏移EVM）23
3.CarrierOffset（载波偏移）——forFSK23
4.Deviation（偏差）——forFSK23
5.FSKErr——forFSK24
6.MagnitudeError——forFSK24
附三、MSKType1与MSKType2的异同25
一、数字解调器工作原理
数字解调器是一个观察和测量I/Q或数字调制信号质量的强大工具。
这是一个通用的解调器，所以可应用于大范围多种类的调制信号，但需要少量的预知的信号信息。
数字解调器工作方式：
1.开始于I/Q形式的数字化信号；
2.恢复或锁定载波；
3.恢复符号时钟；
4.应用重建滤波器；
5.检测符号。
解调器还能模仿或预知理想信号并将测量结果与理想信号进行比较，测量结果和理想信号的差异被显示为调制误差。
二、数字解调器设置十步骤
1.针对被测信号设置中心频率和扫宽；
2.设置输入范围，在没有过载情况下越低越好；
3.设置触发（若需要）；
4.选择数字调制模式；
5.指定正确的调制制式；
6.指定正确的符号速率；
7.选择结果长度和点数/符号；
8.选择滤波器类型和滤波器因子（alpha、被测的和参考的）；
9.打开脉冲搜索并设置长度（仅用于脉冲信号）；（注：
对于连续信号，关掉此功能。
）
10.检查：
眼图星座图的形状、EVM。
下面将以QPSK调制信号为例详细说明数字解调器设置和分析过程。
三、QPSK解调分析步骤
由所提供的数据加载QPSK信号，该信号的数据信息为，采样率：
6.25MHz；
符号速率：
1MHz；传输滤波器：
RRC（根升余弦滤波器）；滤波器因子：
0.35。
具体步骤为：
1.设置被测信号的中心频率和扫宽，在MeasSetup>Frequency设置页面。
因为VSA可以自动做最终的调整，中心频率无需精确（误差小于几个百分点即可）。
扫宽需要包括所有重要的调制边带。
始终在矢量模式下观察信号以确定信号的显示。
1）改变中心频率（CenterFrequency）会使VSA改变测量的起止频率，但是扫宽不会因此而变化。
从下图所示中可以看出，中心频率的改变会引起扫宽在X轴上左右的滑动。
图1中心频率的改变引起扫宽的滑动
2）扫宽（Span）用来设置被用于分析的频带宽度。
下图表示改变扫宽参数会使扫宽以中心频率点为中心进行放大或缩小。
图1扫宽设置所引起的变化
当设置频率扫宽时，最窄扫宽必须包括所有信号分量（略大于信号带宽）。
如果选择的扫宽太宽，则测量结果会受到过多的噪声和较低速率的影响。
而如果扫宽很窄，则测量结果就有过多的误差存在或者VSA将会失去载波锁定。
扫宽的设置也可以通过观察信号频谱的变化来设定。
当出现下列情况时VSA会给出警告信息：
对于数值解调，符号速率决定最大频率扫宽，如下式所示：
上式可以通过变形得到最大扫宽与符号速率之比，如下所示（对于FSK解调格式，最大扫宽与符号速率之比为100）：
当观察数字解调频谱时，如果频率扫宽太大，则可能会发生混淆现象。
混淆只会影响频谱显示的有效性，不会影响解调的准确性。
为了防止混淆的产生，频率扫宽因为下式所示：
2.设置输入范围，没有过载时，越低越好。
设置信号的范围以保证灵敏度，确保解调的最佳信噪比。
3.设置触发（若需要，该QPSK解调不需要设置触发）
1）设置触发，如果需要搜寻特定的突发或与系统触发相关的发射信号。
对于随机解调的数据块不需要触发。
2）当信号在矢量模式下清楚地看到，然后进入解调模式。
4.选择数字解调模式（DigitalDemod）
在MeasSetup菜单下打开解调器。
图1选择解调模式
5.指定正确的调制制式
解调设置菜单位于MeasSetup下的DigitalDemodProperties…中。
本例中为QPSK。
图2解调制式选择-QPSK
6.设置正确的符号速率（SymbolRate）
1）必须输入所给信号的符号速率，该例中的符号速率为1MHz，如图2所示。
注意不要混淆比特速率和符号速率。
符号速率是比特速率除以每个符号所含的比特数。
在QPSK例子中，每一个调制相态（共4个）由2个比特代表，所以QPSK的符号速率为比特速率除以2。
2）符号速率需要精确设置。
几个百分点的误差将会显示为重大的调制误差。
7.选择ResultLength和Points/Symbol
1）结果长度指明多少符号将被解调并显示在迹线上。
如果信号是一个脉冲，结果长度应该等于或少于脉冲内的符号数，否则，解调器将试着解调没有信号的噪声。
下表显示的是在0Hz频偏的情况下，为了达到可靠的载波所定所需要设置的最小结果长度。
表1最小结果长度设置
2）参量每符号的点数设置有效的采样率。
8.选择滤波器类型和滤波器因子（alpha、被测的和参考的）
1）本步骤是要指定接收信号的解调器的滤波器。
被测滤波器的类型与接收机的相同。
解调器中的参考产生器使用的参考滤波器用于预知理想信号。
这个滤波器代表发射机和接收机合并起来的总滤波。
2）必须指定alpha或BT（timebandwidthproduct）。
这些参数表示滤波器相对调制符号速率的带宽。
图3设置滤波器类型和Alpha
需要注意的是在对该项进行设置时，测量滤波器和参考滤波器的选择依据的是传输滤波器的类型。
表2测量和参考滤波器类型选择表
9.打开脉冲搜索（PulseSearch）和设置搜索长度（仅用于脉冲信号）
1）对于连续信号关闭此功能。
2）脉冲搜索和同步搜索就像I/Q调制和脉冲信号的触发功能一样。
脉冲信号可以通过使用Agilent89600BVSA的触发功能稳定显示。
这是同步捕获数据和外部触发信号的最好方式。
脉冲搜索是自动检测调制脉冲信号而不用设置触发的简单方法。
3）同步搜索将搜索用户设定的位组合格式的I/Q调制并显示与该同步模式相关的解调结果。
4）对更严格的信号限定脉冲搜索和同步搜索（SyncSearch）可以同时使用。
图4打开脉冲搜索
10.检查：
眼图/星座图的形状、EVM
为了确定解调器的正确工作，观察信号的矢量图或误差矢量幅度。
稳定的矢量图能够帮助确定解调器正确设置、功能正常并且与引入的信号相匹配。
图5QPSK测量IQ矢量图及误差矢量幅度的时域显示
四、具体指标分析（分析工具）
针对不同的调制格式，其测量指标也有所不同，在实际测量中需要进行相对单独的分析。
下图表示了不同调制格式所对应的测量参数指标。
表3不同调制格式所对应的测量指标
当设置和运行了数字解调器，可使用下面的数字解调分析工具针对QPSK信号进行分析。
4.1.IQMagError（IQ幅度误差）
当数字解调被选择后，IQ幅度误差的轨迹将会显示出测量IQ信号和参考IQ间的幅度误差（注：
该IQMagErr不适用于FSK格式）。
其计算方法如下图所示：
图6IQ幅度误差及相位误差计算式
根据上图，在判定信号质量时，其IQ幅度误差应越小越好。
该QPSK信号的IQ幅度误差图谱如下图所示，具体计算方法参见下文中EVM的计算：
图7QPSK-IQ幅度误差图谱
4.2.IQPhaseError（IQ相位误差）
IQ相位误差的计算如图6所示，选择IQPhaseError后VSA将会逐点比较未被校正（自然态）的测量相位和参考相位，并显示两者的差异。
同IQ幅度误差类似，其亦越小越优。
下图为自然态的相位误差图谱：
图8QPSK-IQ相位误差图谱
4.3.IQMeasTime（IQ测量时间）
恢复的I和Q路电压在时间轴上的标示可以通过点击Trace>Format和Real（I）或Imag（Q）来显示。
因此该信号也能表示为：
。
如同所有的时间显示格式一样，符号时钟标记为条（默认设置）或点。
下面的图例使用的是条。
在解调的时间迹线上的红点或竖条是被恢复的符号时钟。
对于除FSK以外的其余解调格式，数字解调器会产生两种信号：
I/Q测量信号和I/Q参考信号。
图9I/Q测量电压在时间轴上的显示
4.3.1.矢量图
矢量图，通常更多地称为数字调制的IQ图，显示了时间上各个时刻所恢复的复杂I-Q基带信号。
它显示了信号状态以及信号在符号之间移动时的跳变过程。
从原点到矢量示意图上某个点绘制的矢量线对应着此刻的瞬时电压。
查看矢量图是观察解调信号一个好的开始。
下图显示了QPSK调制信号的IQ图示例。
IQ图显示了4个理想的状态位置（以十字表示），分别是45°、135°、-45°和-135°。
还有已检测的符号和符号间的跳变。
IQ图给出了峰均电压比（峰均比是一种对波形的测量参数，等于波形的振幅除以有效值所得到的一个比值），它可用于确定放大器的压缩情况。
图10QPSK矢量图1
在I-Q平面上查看信号时，其实是在观察信号相对载波的幅度和相位。
未调制的载波是相位参考（0°）。
上图中，每个检测的符号都是相对未调制载波以不同的幅度和相位进行调制，但频率与载波一致。
如果检测到符号频率与未调制载波的不同，它的表象是信号相对未调制载波连续增加或减小相位似的移动。
还有，数字调制属于三维测量，根据I（同相）/Q（正交）分量与时间的关系进行调制。
而IQ图仅是二维图，所以与I-Q平面垂直的时间参数无法显示。
这个工具显示了所有时间点上的已恢复的矢量信号，红点表示符号时钟。
矢量图可以看出正确的调制格式、滤波和其它定性的信号问题。
查看矢量图，点击Trace>Data>IQMeasTime然后Trace>Format>I-Q。
图11QPSK矢量图2
4.3.2.星座图
星座图显示与符号时钟同步的载波的幅度和相位。
这些测量点通常就是检测判断点，代表已检测的符号。
它与I-Q图类似，只是不显示状态间的跳变轨迹轨迹。
调制误差显示为距离理想目标（红点）的偏差（标记为圆环或十字）。
图12QPSK星座图1
理想状态下，所有符号都应显示为单点，并集中在理想状态位置处（以十字坐标显示）。
理想状态是指信号没有误差时的符号位置。
不过由于信号的损伤及其它调制误差会造成偏差，符号会分散在理想状态位置的周围。
查看星座图，点击Trace>Data>IQMeasTime然后点击Trace>Format>Constellation。
图13QPSK星座图2
4.3.3.眼图
眼图是一个观察数字无线电的I/Q测试端口的传统工具。
下图中为I和Q路电压在时间轴上的显示。
这些电压通过每几个符号回扫以统计方式进行信号的重复性显示。
“眼睛”的张开程度定性地指示出信号中的噪声。
查看眼图，点击Trace>Data>IQMeasTime，然后Trace>Format>I-eye或Q-eye。
图14QPSK眼图
4.4.IQMeasSpectrum（解调频谱）
时间记录的FFT得到频谱。
当转换的是已解调的时间记录，那么得到的结果是已恢复信号的基带频谱。
解调频谱通过点击Trace>Data>IQMeasSpectrum，然后Trace>Format>LogMag显示。
图15QPSK解调频谱
4.5.ErrorVectorTime（误差矢量时间）
在数字通信系统中应用最为广泛的调制质量指标是误差矢量幅度（EVM）。
误差矢量是指在给定时间的理想参考信号和所测信号之间的矢量差。
参见下图，误差矢量是一个复参量，包含幅度和相位分量。
不要将误差矢量幅度与幅度误差、误差矢量相位与相位误差相混淆。
图16误差矢量幅度（EVM）、实际测得的信号与理想参考信号的差异
EVM定义为在符号时钟跳变时刻误差矢量的均方根（rms）。
按照惯例，EVM通常归一化为最外面符号的幅度或符号平均功率的平方根。
EVM测量在有些通信标准中也称为相对星座误差（RCE），各种相关数据结果对于任意数字调制格式中影响信号的幅度和相位轨轨迹路的损伤都十分敏感。
因此，EVM是一种分析诊断通信系统基带、中频或射频部分中的故障的理想测量工具。
误差矢量时间数据是根据I-Q测量信号和I-Q参考信号上相应符号点计算出的误差矢量幅度。
下图为QPSK信号的误差矢量时间数据。
图17QPSK误差矢量时间数据
该图显示了线性格式下的EVM，纵坐标是百分比误差，横坐标是n个符号（标记为蓝色竖线）。
容易看出一个准确的调制信号的EVM值很低。
下面将举例给出在QPSK格式下对幅度误差和EVM的详细计算（注：
此处计算只针对当前标记的单个符号或时刻点）。
需要特别说明的是该软件中对上述两个指标的测量值是以误差大小与参考矢量幅度的百分比形式所展现的。
即对应于图16中Magerr和EVM的计算式分别为：
由此在软件中分别标记出同一时刻时的
、
、
和
的值，如下图所示可得：
MeasIQ（-743.4151，-728.5203）、RefIQ（-707.1068，-707.1068）。
图18QPSK测量和参考I、Q值
上图中，第一列为测量值，第二列为参考值，第一行为I值，第二行为Q值。
其形式可以用复数来表示以方便计算，其计算依据前述所示公式计算得出下图中数值。
图19测量和参考矢量幅度计算
依据得出的幅度值便可以计算出符号表中所显示的当前标记时刻的Magerr和EVM的值，如下图所示。
图20当前标记时刻Magerr和EVM值
从上图右上角所示的符号表中可以直观的看出当前标记时刻的计算值和软件中显示的数值相同。
需要特别指出的是EVM的方均根值（平方和的平均值的平方根）是由多个测量点的值所得出的，其测量点的数量由ResultLength所设定的。
其计算方法如下：
设ResultLength为Nsymbols，则对应于符号表中EVM的数值为，
其中，分母为该测量（计算）范围内的N符号点所对应的参考矢量中幅度（长度）最大的一个值。
4.6.ErrorVectorSpectrum（误差矢量频谱）
时间迹线的FFT得到频谱。
这同样适用于EVM时间迹线。
得到的结果是误差矢量频谱。
也就是说，误差矢量时间数据被加窗并FFT以生成误差矢量频谱轨迹。
这种格式能展现致使调制载波偏离理想路线的多余信号的谱内容。
如果这些成分是确定的，它们将显示在误差矢量频谱中。
观察该频谱将对错误信号的本质和起因有更多的认识。
图21QPSK误差矢量频谱数据
4.7.Syms/Error（符号表/误差汇总）
符号表/误差汇总测量结果是数字解调最强大的工具。
从中可以看到解调比特，以及所有解调符号的误差统计。
例如，查看rmsEVM值可以快速评估调制精度。
还有其它很多有价值的误差报告。
下图显示了QPSK信号的符号表/误差汇总数据。
标记读数显示的是符号表中突出显示的比特对应的值，根据图10所示，在下图中该标记读数显示代表符号2，数值为2（“10”的二进制值）。
可以看出这个值与QPSK调制所需的双比特码元一致。
误差表显示了适用于QPSK调制信号的统计数据与误差数据。
其它误差值为其它格式所用。
图22QPSK符号表/误差汇总
从符号表/误差汇总中能比较精确的得到当前EVM、MagErr（误差幅度）、PhaseErr（误差相位）、FreqErr（频率误差）、IQOffset（IQ偏移）、QuadErr（相位正交误差）、SNR（MER）、Rho（相关系数）以及GainImb（增益不平衡）相关数据。
4.7.1.FreqErr（频率误差）
频率误差表示的是载波相对于VSA中心频率的频率误差，其单位为Hz，误差数据等于偏离VSA中心频率的频偏。
VSA中心频率大小的设定是为了获得载波锁定。
下表显示的是当ResultLength=1000symbols时为了获得可靠的载波锁定，解调器所能允许的最大频偏。
表4可靠载波锁定所允许的最大频偏
4.7.2.IQOffset（IQ偏移）
IQ偏移也叫IQ原点偏移，IQ偏移的测量表明了载波馈通（carrierfeedthrough）的幅度，这是平衡调制器好坏的一项重要指标，其很容易从下面的星座图中展示出来。
图23I/Q偏移
在上图中，“X”是星座图的中心（非坐标轴的原点）。
当“X”在原点时，IQ偏移为0；当“X”不在原点时，IQ偏移为“X”与原点之间矢量的幅度大小（单位：
dB）。
数值的计算不使用符号间的点，只使用当前时刻符号时间，因此Points/Symbol的大小将不会影响计算结果（注：
不同与其它解调格式，对于MSK的计算会使用符号间的所有点）。
4.7.3.QuadErr（相位正交误差）
相位正交误差是由发射机的I路和Q路间的相位差不是精确的90度而引起的。
理想的状况是I路和Q路相互正交，若一相位正交误差为-30，则意味着I路和Q路的相位相差870。
图24相位不正交
4.7.4.GainImb（增益不平衡）
I/Q增益不平衡显示信号的I路和Q路存在的增益差别，通过对比I轴（水平方向）的增益和Q轴（竖直方向）的增益而得。
该差别同时也很容易从星座图中看到，QPSK的星座图越接近正方形越理想。
其计算式如下：
由于增益不平衡以对数值来表示，故其可以为正值或者负值。
然而，当求平均（average）设置为开和同步搜索设置为关时其将会始终为正值。
图25增益不平衡
4.7.5.SNR（MER）
信噪比是针对QAM，DVBQAM，QPSK，APSK和VSB解调格式的测量指标。
其定义为信号传输波形的平均符号功率与噪声功率，包括任何可能引起偏离其理想状态位置的情况，例如加性噪声、失真和码间干扰。
信噪比的计算式表示如下：
4.7.6.Rho（相关系数）
相关系数是衡量线性相关程度的指标，其主要针对QPSK和OQPSK格式。
类似于EVM，用于测量数字调制的质量。
其计算是通过比较测量信号和参考信号的归一化相关功率，并把其定义为波形品质因子。
最大的相关系数为1，意味着测量信号和参考信号时100%相同的。
4.8.自适应均衡器
自适应均衡器可用来从非线性调制误差中分离出线性误差。
结果显示自适应均衡滤波器的脉冲响应。
此外，信号的频率响应也被计算和显示。
设置均衡器，通过点击MeasSetup>DigitalDemod…>Compensate标签以访问下图的菜单：
图26自适应均衡器设置
为了使用该自适应均衡器：
1）设置FilterLength为21个符号；
2）设置Convergence因数为1E-07；
3）选中EqualizationFilter复选框以激活滤波过程；
4）查看矢量图或星座图、误差总结或者EVM对时间的显示，看均衡滤波器是否改善了调制的精度；
5）当误差被大大变小后，点击Adaptive栏从Run改变为Hold以停止均衡器。
如果误差更大了，尝试点击Convergence栏并将该因数步进减小，然后点击ResetEqualizer。
有可能需要增加滤波器的长度以减小时间上延时的误差。
注意：
每当均衡器的设置被修改时，一定要重置均衡器。
下面显示的是该信号在均衡器运行了一段时间后的样子。
信号的质量被大大改善了，证明了主要的误差源是线性的。
这在查找调制错误原因时是一个重要的发现。
图27开启均衡器后的矢量图
再次查看Syms/Error，可以看到其中的EVM值已经明显的降低。
如下图中所示：
图28开启均衡器后的符号表/误差汇总
附一、信号误差原因诊断流程
图29信号误差原因诊断流程图
附二、除QPSK外其余格式所对应的测量指标数据
从表3—不同调制格式所对应的测量指标中可以看出，不同格式的测量有时需要不同的指标来对其评价。
而该文档前部分主要是根据QPSK在VSA中的测量操作来介绍相关测量指标数据，因此在本部分将依据表3来介绍其余的测量指标。
1.Amplitudedroop（振幅衰退）
振幅衰退也叫做突发振幅衰退，其用于测量信号幅度的突发变化，单位为分贝每符号（dB/symbol）。
该数据结果对于测量脉冲信号是最有效的。
若该值较大，则很可能表示脉冲调制过程出现了问题。
符号表中的振幅衰退仅在符号时间（符号被检测到的即刻）进行计算，不包括符号间的点。
但是对于MSK解调格式，VSA会使用符号间的所有的点来进行计算。
因此，当进行MSK解调的时候改变Points/Symbol的数值将会影响计算结果。
2.OffsetEVM（偏移误差矢量幅度）
偏移EVM只针对OQPSK格式，其在每符号取一点进行计算。
该EVM计算的信号复数表达式是由每符号的开始值作为I值，每符号的中间值作为Q来组成的。
因此，VSA将不会使用ResultLength中最后一个OQPSK符号的后半段，所以，偏移EVM所计算的长度为ResultLength-1个符号。
3.CarrierOffset（载波偏移）——forFSK
载波偏移表示的是载波相对于VSA中心频率的频率误差，其单位为Hz，误差数据等于偏离VSA中心频率的频偏。
VSA中心频率大小的设定是为了获得载波锁定。
在射频频率或者本地振荡器频率的误差能表现为载波偏移。
4.Deviation（偏差）——forFSK
偏差值定义为FSK测量时域轨迹中的所有的符号偏差值的平均（视ResultLength数值而定）。
当超过两种符号状态的时，解调器只会使用最外层的符号状态（最高和最低的频率）用以计算偏差。
一个符号的偏差等于符号所在位置上被检测载波频率与被测量频率间的距离值，如下图所示。
符号间的点不会被用于计算偏差。
图30Deviation和CarrierOffset示意图
5.FSKErr——forFSK
FSK误差的计算是通过比较FSK参考信号和FSK信号在符号位置点的被测量值来得出的，其计算式如下：
Points/Symbols值未被使用。
FSK误差在误差汇总数据表中是以偏差百分比的形式表示的。
为了得到该百分比，VSA通过计算所有符号点位置的FSK误差的均方根平均值来除以偏差峰值并乘10
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