多调制信号解调应用（一）：使用K70M选件对多调制信号进行解调

前言

随着通信技术的不断发展，混合调制的通信信号在手机，雷达，卫星通信等行业中已经十分常见，如Bluetooth、DVB信号等。在实验室调试中，除了具有标准制式的通信信号之外，可能还需要产生自定义形式的多调制信号用来进行组件的调试，如何使用矢量解调选件解调这些非制式的多调制信号将会是测试中需要解决的问题。 本文将介绍以下内容：如何借助于罗德与施瓦茨的免费软件制作自定义的多调制方式的信号；对于上述自定义的多调制信号，如何借助罗德与施瓦茨的信号与频谱分析仪对其进行解调。       

1.为什么需要多调制信号？

在各类无线通信系统中，为了实现收发之间的载波与时间同步，通常会在发射信号中嵌入一段已知序列的信号方便接收端进行载频修正和时间同步。

对于这段已知信号，通常业界称之为Pilot导频信号， 而用于传输用户数据的信号段我们称之为Payload数据载荷。当然在不同标准中对于这两段信号的名称会有不同，比如在Bluetooth标准中，已知序列信号段部分也被称为Preamble前导；在DVB标准中，这一部分被称为Header。

为了统一，在本文中我们统一为Pilot 导频信号和Payload数据载荷，不失一般性。

2.多调制信号一般具有什么特点

在实际应用中Pilot 和 Payload的调制方式一般不同，Pilot通常来说会采用一些比较简单的调制方式，如QPSK，而Payload部分由于考虑到传输效率从而会采用略微复杂的调制方式，这就带来了多调制信号解调的问题。在信号与频谱分析仪中，传统的VSA（K70）解调多调制信号时只能解调一种调制模式且需要复杂的同步设置。

3.可以用什么方法来解调多调制信号

针对多调制信号的解调应用场景，罗德与施瓦茨在其信号与频谱分析仪VSA（K70）选件的基础上增加了多调制信号解调选件K70M。该选件优化了解调的方法，增加了测量的项目，能同时对多调制信号进行联合分析。同时，K70M选件具有连续测量、使用灵活、操作方便等优点。

多调制信号的产生

直接使用信号源的DVB功能可以产生带有多调制的DVB-S2X信号，但是这需要在信号源上安装额外的选件。

为了演示的通用性，本文中采用免费的软件来生成波形。使用罗德与施瓦茨官方提供的免费软件WINIQSIM2和Arb Toolbox 可以进行多调制自定义信号的生成。点击查看下载WINIQSIM2和Arb Toolbox。

1、Pilot部分制作

使用WINIQSIM2的custom digital modulation功能生成一个QPSK调制的Pilot导频文件，为了方便计算，符号率设置为1Msym/s，滤波器选用RRC滤波，滚降系数0.2，长度为40symbol。如下图所示： 

WINIQSIM2调制信号pilot部分设置界面

其中data source改为pattern，随机输入数据比特，如下图所示：

 

Pilot的数据源设置

输出文件，保存为pilot_qpsk文件名的.wv形式的波形文件

Polit部分波形保存界面

2、Payload部分制作

使用WINIQSIM2的custom digital modulation制作调制方式为16QAM的Payload信号，与Pilot信号一样，符号率设置为1Msym/s，滤波器也是选用RRC滤波器，滚降系数为0.2。此时data source改为PRBS9，长度改为960symbols。 

 

Payload波形设置界面

输出波形，存为payload_16qam。

Payload部分波形保存界面

3、波形合成

打开Arb Toolbox，使用composer功能进行波形合成

 

ARBToolBox界面

在composer窗口中，选择上述制作的Pilot波形之后，点击insert插入导频

 

ARBToolBox波形合成界面

再选择payload_16qam，点击插入，将其插入至Pilot后面

 

ARBToolBox波形合成界面

这样，一个40symbol的Pilot加上960symbol的Payload的波形文件就制作完成了。点击target下的setting按钮设置波形的输出路径之后，点击run即可。

4、信号播放

将制作完成的波形拷贝进信号源，在信号源的baseband菜单下选择ARB。

 

信号源baseband菜单

在Load waveform的选项中，选择拷贝进信号源的波形文件，设置好载波的频率和电平，开启ARB即可。

信号源ARB界面

多调制信号的解调

1、使用QPSK调制的Pilot同步

将信号源连接至频谱仪之后，将频谱仪preset，调整中心频率为10GHz，调节span至合适的值，此时在频谱模式下可以观察到信号输出的宽带频谱。

 

频谱仪频谱界面可以观察到信号

点击mode，打开VSA，在此模式下进行解调的配置，首先设置中心频率以及参考电平至合适的值。

 

频谱仪VSA界面

点击频谱仪的meas config实体按键，在右侧菜单选择signal description进行矢量信号的配置，保持与上文的Payload部分一致，设置调制方式16QAM，符号率1MHz，滤波器选择RRC以及滚降系数0.2。

 

频谱仪VSA选件矢量信号设置

在Frame Structure选项卡中，去掉默认勾选的”Same as for Data Symbols”之后，进行pattern描述的设置，在此需要对Pilot信号的调制方式进行设置，选择QPSK。

 

频谱仪VSA选件-帧结构设置

之后，点击下方的frame structure config进行信号内部帧结构配置。在上一章节中，我们制作了一个QPSK加上16QAM的信号。其中，在Pilot制作部分中，我们制作了一个40symbol长度的Pilot，在实际应用中，Pilot中的一部分symbol可能会用来对后续Payload的部分进行描述，如数据长度，使用的协议等。因此，实际应用中可能只会有一部分Pilot的symbol而不是整个Pilot用来同步。

在本次示例中，我们截取Pilot中的第9-16个symbol作为同步用的pattern，因此在帧结构中，前40个symbol的调制方式为pattern，后面960个symbol设置为data，前40个symbol中，第9-16个symbol的type设置为pattern，其余为data，如下图进行设置：

 

VSA选件-帧结构配置界面

配置完成后保存配置文件，之后再点击apply。

此时主界面下方会出现报警

 

频谱仪下方未选择pattern时的报警

这是因为我们在帧结构中选择了pattern，但是我们并没有提供一个pattern供仪表对比。因此需要制作一个对比用的pattern文件。点击meas config，选择pattern config

 

Pattern配置界面

点击new制作一个新的pattern

 

Pattern制作界面，需要与制作信号时输入的部分pattern保持一致

如前文描述，我们选择Pilot中的第9-16个symbol来进行同步，由于调制方式为QPSK，因此对应的pattern为第17-32个bit，这些bit换算成16进制则为02232121。在pattern设置里Mod Order设置为4，然后输入02232121，组成pattern1文件，保存为pattern1，如上图所示。保存完毕后，选中刚才保存的pattern1文件，点击下方的add to predefined list添加至备选列表。再点击signal description，在上面选择signal structure选项卡，勾选下方的pattern，并在列表中选择刚才保存的pattern1.

 

选择之前制作的pattern

在主界面的signal capture选项中，需要对capture length的长度进行修改，capture length表示仪表一次捕获的长度。为了保证捕获的稳定性，通常来说设置的长度需要至少为信号帧长度的2倍。在本次示例中，信号一帧长度为1000symbol，因此捕获长度至少为2000个symbol，若设置小于2000则有可能出现捕获不成功的情况。因为仪表是在pattern比对成功之后才会开始根据帧结构进行分析，若小于2000，那么当一个完整的pattern部分恰好出现在捕获的第999-1038个symbol时，后续会因为捕获的位数达不到Payload规定的960个symbol的长度而导致捕获失败。

 

VSA选件捕获长度设置

Result range选项中的length选择1000（因为本次示例中信号帧的长度一共为40个QPSK加上960个16QAM符号），或者勾选according to frame structure file也可。

 

VSA选件结果长度设置界面

此时回到主界面，发现星座图已经稳定，EVM也较好，右下角的symbols界面中，前40项的边框变绿，表示这部分为Pilot部分，调制方式与后面的信号不一样，而这之间有8个symbol的底色变绿，这8个便是比对成功的pattern，同时可以发现后续16QAM调制的符号数值也稳定不变。此时我们就在没有外触发的帮助下，通过pattern的比对完成了信号的同步。

完成pattern同步之后的VSA界面

2、使用16QAM中的一部分数据同步

在实际应用中，还有可能出现没有导频的情况，但是如果我们知道传输信号的一部分内容，在这种情况下也可以进行同步。

还是以上述信号为例，假设我们只想对后续的Payload信号进行分析，而我们知道Payload中第21-40个symbol的内容，如通过上一节的分析我们可以得知本次示例的Payload的第21-40位内容为：4FD925BF26A660319469。此时，修改pattern调制如下：

 

VSA选件帧结构设置界面

将pattern的调制方式改为与数据一样，为16QAM，再修改帧结构如下：

 

VSA选件帧结构详细配置界面

此时需要设置一个新的pattern，取PRBS9数据的第21-40位组成新的pattern，注意此时mod order需要改成16。

 

Pattern配置界面

最后，修改signal structure中的pattern

 

选择上文设置好的pattern

此时发现也可以得到一个稳定的结果如下

 

使用payload部分进行同步之后的VSA界面

多次点击run single，可以发现有时候会出现EVM较差的情况，如下图所示Evm从之前的0.61恶化到了6.81，星座图也有多余的点。

 

使用payload部分进行同步可能出现的一种情况

这是因为PRBS 9的序列只有2^9-1=511个bit，也就是说从第512个bit开始会重复。信号源在生成16QAM信号时，会使用4个bit转换成一个symbol，那么在生成完127个symbol，也就是使用了508个bit之后，剩下的3个bit会跟随第二次重复的PRBS 9序列重新生成symbol。

因此，即使bit序列开始了重复，16QAM调制的symbol因为使用的bit位数错开，还没有开始与第一个symbol重复。PRBS 9的511个bit序列重复了4次之后，此时信号源为了生成symbol刚好用完序列中最后一个bit，那么下一个symbol将会开始使用新的PRBS 9序列的第一个bit，从而与第一个16QAM调制的symbol重复。因此，在使用PRBS 9序列生成16QAM的信号时，一共会产生511×4÷4=511个不重复的symbol。

而我们在制作信号时生成了960个symbol，因此在前511个symbol发送完毕之后，会重新从第一个symbol开始发送，这样会导致有重复的部分（包括设置的pattern部分），上述EVM比较差的情况便是pattern定位到了后面重复的一段，而帧结构有960个，此时会有40个QPSK的symbol进入影响EVM。这种情况下点击sweep，选择select result rng #2，将其改为1定位至第一段即可。

因此在工程应用中，pattern需要不能够太短，保证其唯一性，从而能够更好的定位。

3、导频帮助定位之后只进行数据部分的测量

在上述测试中，结果中显示的EVM为QPSK与16QAM调制信号的总体EVM。在实际应用中，有的场景希望只测量其中一种调制方式或者是一部分symbol的EVM。K70M选件也具有这样的测量功能。

下面将分别介绍payload部分和pilot部分的测试方法。

在本例中，对于整个1000个symbol，前面40个为Pilot。此时我们希望借助QPSK调制的pattern定位之后，仅对后面960个16QAM调制方式的Payload部分进行分析。

打开range settings，在evaluation range选项卡下，去掉entire result range前面默认的勾选，在start和stop中分别填上32和991（因为从-8开始）表示对后960个符号进行分析。

 

分析范围设置界面

设置之后主界面如下：

 

使用pilot进行同步之后，只对payload部分进行分析

此时的EVM便是后960个symbol的测试结果，其中const I/Q（左上）和result summary（右上）窗口会用两条竖线（红圈处）表示此时的星座图和分析结果只是整个信号中的一部分。Symbols窗口中的括号（黄圈处）表示分析的symbol范围。

修改evaluation range中的字符范围，可以对其他所感兴趣的symbol部分进行测试，例如对Pilot中的一段symbol进行测试。

此时，如果希望对40位Pilot的中间24位（也就是第9-32位）进行分析，可以把evaluation range中的start和stop分别修改为0和23（去掉前后8位），最终结果如下：

 

单独测试pilot部分的界面

观察星座图可以发现，与上文测量Payload部分的结果中只有16QAM不同，此时星座图中只有QPSK的调制模式，而右上角的EVM测试的是Pilot部分中间24位QPSK调制信号的EVM。

总结：

由上述的测试示例可以发现，使用K70M选件解调多调制信号时会十分方便，具体有以下优点：

1、在pattern同步之后可以连续进行测量，不需要采集一段之后分步进行测试。 

2、既可以测试整个信号帧的总体EVM，也可以分段测试特定调制模式的EVM或者是中间某一段的EVM，使用上非常灵活。 

3、操作方便，设置好帧结构之后可以直接通过pattern同步进行测试。 

本期主要介绍了使用K70M选件对多调制信号进行解调的方法。在下一期中，我们将不借助K70M选件而使用其他的方法对同样的多调制信号进行解调。

 
 

审核编辑：刘清