基于星座图的信号质量评估方法

描述

你想不想,从频谱仪上显示的星座图,就能轻轻松松低分析出,信号质量差是由于啥原因产生的么?

想的话,就请往下看。

星座图上的点,分别代表载波的幅度和相位。

星座图,显示了每个符号对应的点,是由点组成的。矢量图,显示了点到点的路径,是由线组成的。

矢量图的一个重要应用,就是区分不同的调制变体。

如下图所示,左边为标准的QPSK调制方式,右边为偏移QPSK调制方式。

矢量图

但是,在大多数情况下,星座图对于我们debug EVM恶化的来源,更有帮助。

数字通信系统中,主打三个部分,即发射机,接收机和传播路径。

EVM或者SNR虽然能够告诉我们调制信号质量的好坏,但他们就是一个简单的数字。没法告诉我们EVM恶化的原因。

但是星座图可以。

造成EVM恶化的原因,主要分为四大类,包括:幅度影响,相位影响,I/Q不平衡,还有设置问题。

首先看幅度影响。

假设系统发生压缩。

QAM和APSK使用不同的离散幅度电平来传输信息。最常见的幅度问题,就是非线性,即器件发生压缩。

而压缩现象,一般是发生在输入信号电平比较高的情况,也就是说,在输入电平比较高的时候,获得的增益,要比低输入电平的时候小。

而在星座图中,测量点到原点的距离,就代表信号的幅度。所以距离原点越远的点,信号的幅度就越大。

如下图所示,四个角落上的点,离原点最远,具有最高的幅度。

所以,当系统进入压缩状态时,他们获得的增益,就要比里面的那些点要小,所以这四个点会被往原点推。

这会导致,这些点与星座上的其他点距离拉进,导致EVM恶化,误判概率上升。

矢量图

噪声是数字通信系统中另外一种形式的幅度失真。

当信号幅度低的时候,噪声会使得SNR变低。当然,信号幅度高的时候,噪声也会使SNR变低,但是幅度高的时候,SNR本来就很好,所以无所谓。

低SNR的时候,在星座图中,测量点在理想点的周围扩散开来。

而且,SNR下降的越多,扩散的越厉害。

如果噪声是宽带的或不相关的,则星座点将或多或少地随机分布在理想点周围,从而导致星座图类似于下图所示。

矢量图

带内杂散也会在星座图中反应出来。

带内杂散,是指落在调制信号带宽内的窄带干扰或者杂散。

在星座图中,这些杂散通常会使得测试点在理想点周围围成一个圈,如下图所示。杂散信号的幅度越大,圈的半径也越大。

矢量图

再看相位影响。

相位噪声,在星座图中是很容被识别出来的。

QAM和APSK调制信号,部分通过使用相位变化来传递信息,因此信号相位的随机波动可能导致接收端解调不正确,使得EVM恶化。

如下图所示,相位的变化,使得星座图上的点,绕着原点旋转,在理想点附近,形成一个弧形。而且相位噪声越差,弧形就越长。

矢量图

再看I/Q不平衡。

I/Q调制或解调器的不理想性,是EVM 变差的另一个常见原因。

星座图中的X轴和Y轴,分别代表I路和Q路的幅度。

射频矢量信号,通常使用I/Q调制产生的,如下图所示。在I/Q调制器中,同相通道和正交通道都与LO混频。在Q通路中,LO的相位需要精确偏移90度。这些I和Q部件,然后相加,得到调制矢量信号。

接收端是上述过程的逆过程。

所以,如果I/Q调制或解调器不完美的话,会导致星座图的形状失真,使得EVM恶化。

矢量图

先说 I/Q 增益不平衡。

理想情况下,I路和Q路应该具有相同的增益,此时,大多数QAM星座图为方形。

如果I/Q增益不平衡发生的话,星座图会从方形会被拉伸,变成矩形。

而且,这个拉伸的程度,与增益不平衡的程度成正比,相差的越多,拉伸就越严重。

如下图所示,蓝色曲线是理想的星座图,橙色曲线是由于Q路增益比I路增益高而拉伸后的星座图。

矢量图

还有I/Q正交误差。

正交误差,有时候也被称为正交偏移,当I路和Q路相位不是完美的90度时,就会发生。

大多数理想的QAM星座图中的符号,都是以正方形的形状安排的,星座图的平行边和垂直边是垂直的。

正交误差,会导致星座图变斜。当偏离90度越大,星座图倾斜的就越严重,EVM恶化更多,误判概率就越大,如下图所示。

矢量图

怎么样,看到这,是不是忍不住点点头?

  审核编辑:汤梓红

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