信號發生器的I/Q調制
基本的調制方案包括幅度、頻率和相位調制。調制信號可以使用幅度和相位(矢量)的極坐標來表示。I/Q調制由于頻譜效率較高,因而在數字通信中得到廣泛采用。
I/Q調制使用了兩個載波,一個是同相 (I) 分量,另一個是正交 (Q) 分量,兩者之間有90。的相移(見圖1)。
圖1 I/Q 相量圖
I/Q調制的主要優勢是能夠非常輕松地將獨立的信號分量合成到一個復合信號中,隨后再將這個復合信號分解為獨立的信號分量。
在數字發射機中,丨信號和 Q 信號通過同一個本地振蕩器 (LO) 混合,不過這個本振在其中一條 LO 路徑上放置了一個90°的移相器 (見圖2)。這個90° 的相移使 I 信號和 Q 信號彼此正交,互不干擾。
圖2 基帶 I/Q 調制
主要IQ調制參數
調制方案
矢量信號的變化在I/Q圖上可以用幅度、相位、頻率或這些指標的組合來表示。這些幅度和相位的變化產生了不同的調制格式。由于數據是用二進制傳輸的,星座圖中的點數必須為2的冪。最基本的數字調制格式為:
PSK(相移鋰控)
FSK(頻移繾控)
ASK(幅移繾控)
QAM(正交幅度調制)
星座圖和符號
星座圖展示了QAM格式的可用符號。以16QAM格式為例,每個符號表示著四個二進制位的一種可能組合。對于這四個二進制位來說,總共可能有16個組合。換言之,每個符號表示著四位。
為了提高數據帶寬,我們可以增加每個符號表示的位數,這樣可以提高頻譜效率。不過,隨著星座圖中符號數量的增加,符號間的距離開始變小。符號越來越接近,因此就越容易受到噪聲和失真的影響,出現錯誤。圖3展示了當從16-QAM格式變為64-QAM格式時,符號密度的增加。
圖3 16-QAM 和 64-QAM 格式的星座圖
數字調制類型一變量
通信系統在基本調制方案中使用了三個主要變量。這些變量可以避免I/Q信號跡線通過零位(星座圖的中心),從而在功率效率上占據優勢。
IQ偏置調制:在 ZigBee 2450-MHz頻段中使用OQPSK
差分調制:在藍牙 2.0+EDR中使用 π/4 DQPSK
恒包絡調制:GSM 使用 GMSK; Wi-SUN使用2-FSK
圖4 IQ調制變量
正交頻分多路復用 (OFDM) 是另一種常用的調制方案。很多最新的無線和電信標準都采用了這種策略,例如數字廣播、xDSL、無線網絡 和 5G 新空口 (NR) 蜂窩技術。
OFDM 使用了多個重疊的射頻載波。每個載波都在精心選擇的頻率上工作(這個頻率與其他載波正交),并且采用了并行子載波方案,因此這種傳輸方案能夠支持更高的比特率。此外,OFDM 方案在頻譜效率、靈活性和穩定度等方面都具有優勢。
比特率與符號率(波特率)
比特率是系統傳輸比特流的頻率。符號率等于比特率除以每個符號可以傳輸的比特數。例如,在 QPSK 中,每個符號表示兩個比特。QPSK 的符號率就是其比特率的一半。信號帶寬和符號率成正比。
符號率=比特率/每個符號傳輸的比特數
誤差矢量幅度(EVM)
誤差矢量是理想 I/Q 參考信號與被測信號之間的矢量差。EVM 只是這個誤差矢量的幅度。誤差矢量是本地振蕩器的相位噪聲、功率放大器的噪聲以及 I/Q 調制器減損等因素共同作用的結果。
為了確保能夠評測被測器件的 EVM 性能,您所使用的信號發生器的 EVM 性能害要比被測器件的預期EVM性能好 5 至10 dB.
例如,802.11 ax 發射機EVM 標準要求1024 QAM 的 EVM 達到 -35dB。 對于在設計驗證中使用的信號發生器,其剩余 EVM 本底應低于 -45dB。不過,在生產測試中,EVM 性能小于 -40 dB 就己經非常好了。
圖 5 誤差矢量圖解
圖6 802.11 ax 星座圖和誤差概覽
圖7 矢量信號發生器的EVM性能指標至少比待測件預期EVM好5~10dB
I/Q減損
I/Q減損可能會在您的設計中突然出現。當出現這種情況時,您需要仿真這些減損,以便對您的設計進行強化測試,或對信號路徑上的時間和幅度變化予以補償。您的信號發生器能鴝生成I/Q減損。使用下列I/Q調整來仿真您所需要的減損。I/Q調整的使用情況與影響匯總請參見表1。
I/Q偏置:I 信號和Q信號的直流偏置
正交角度:Q信號相位相對于 I 信號相位的偏移
I/Q偏移:I 信號和Q信號之間的相對時延
I/Q增益平衡:相對于Q信號幅度的 I 信號幅度
I/Q相位:通過同時旋轉 I 信號和Q信號,獲得內部I/Q信道的絕對相位
表1 I/Q調整的使用情況
除了I/Q調整之外,您還可以向載波添加相位噪聲減損或 AM/FM 以仿真不完美信號,或向調制信號添加 AWGN 作為干擾源,以便您進行設計驗證。
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