前言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，混合調(diào)制的通信信號在手機(jī)，雷達(dá)，衛(wèi)星通信等行業(yè)中已經(jīng)十分常見，如Bluetooth、DVB信號等。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試中，除了具有標(biāo)準(zhǔn)制式的通信信號之外，可能還需要產(chǎn)生自定義形式的多調(diào)制信號用來進(jìn)行組件的調(diào)試，如何使用矢量解調(diào)選件解調(diào)這些非制式的多調(diào)制信號將會是測試中需要解決的問題。 本文將介紹以下內(nèi)容：如何借助于羅德與施瓦茨的免費(fèi)軟件制作自定義的多調(diào)制方式的信號；對于上述自定義的多調(diào)制信號，如何借助羅德與施瓦茨的信號與頻譜分析儀對其進(jìn)行解調(diào)。

1.為什么需要多調(diào)制信號？

在各類無線通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的載波與時間同步，通常會在發(fā)射信號中嵌入一段已知序列的信號方便接收端進(jìn)行載頻修正和時間同步。

對于這段已知信號，通常業(yè)界稱之為Pilot導(dǎo)頻信號， 而用于傳輸用戶數(shù)據(jù)的信號段我們稱之為Payload數(shù)據(jù)載荷。當(dāng)然在不同標(biāo)準(zhǔn)中對于這兩段信號的名稱會有不同，比如在Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)中，已知序列信號段部分也被稱為Preamble前導(dǎo)；在DVB標(biāo)準(zhǔn)中，這一部分被稱為Header。

為了統(tǒng)一，在本文中我們統(tǒng)一為Pilot 導(dǎo)頻信號和Payload數(shù)據(jù)載荷，不失一般性。

2.多調(diào)制信號一般具有什么特點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中Pilot 和 Payload的調(diào)制方式一般不同，Pilot通常來說會采用一些比較簡單的調(diào)制方式，如QPSK，而Payload部分由于考慮到傳輸效率從而會采用略微復(fù)雜的調(diào)制方式，這就帶來了多調(diào)制信號解調(diào)的問題。在信號與頻譜分析儀中，傳統(tǒng)的VSA（K70）解調(diào)多調(diào)制信號時只能解調(diào)一種調(diào)制模式且需要復(fù)雜的同步設(shè)置。

3.可以用什么方法來解調(diào)多調(diào)制信號

針對多調(diào)制信號的解調(diào)應(yīng)用場景，羅德與施瓦茨在其信號與頻譜分析儀VSA（K70）選件的基礎(chǔ)上增加了多調(diào)制信號解調(diào)選件K70M。該選件優(yōu)化了解調(diào)的方法，增加了測量的項(xiàng)目，能同時對多調(diào)制信號進(jìn)行聯(lián)合分析。同時，K70M選件具有連續(xù)測量、使用靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

多調(diào)制信號的產(chǎn)生

直接使用信號源的DVB功能可以產(chǎn)生帶有多調(diào)制的DVB-S2X信號，但是這需要在信號源上安裝額外的選件。

為了演示的通用性，本文中采用免費(fèi)的軟件來生成波形。使用羅德與施瓦茨官方提供的免費(fèi)軟件WINIQSIM2和Arb Toolbox 可以進(jìn)行多調(diào)制自定義信號的生成。點(diǎn)擊查看下載WINIQSIM2和Arb Toolbox。

1、Pilot部分制作

使用WINIQSIM2的custom digital modulation功能生成一個QPSK調(diào)制的Pilot導(dǎo)頻文件，為了方便計(jì)算，符號率設(shè)置為1Msym/s，濾波器選用RRC濾波，滾降系數(shù)0.2，長度為40symbol。如下圖所示：

WINIQSIM2調(diào)制信號pilot部分設(shè)置界面

其中data source改為pattern，隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)比特，如下圖所示：

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Pilot的數(shù)據(jù)源設(shè)置

輸出文件，保存為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制作調(diào)制方式為16QAM的Payload信號，與Pilot信號一樣，符號率設(shè)置為1Msym/s，濾波器也是選用RRC濾波器，滾降系數(shù)為0.2。此時data source改為PRBS9，長度改為960symbols。

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Payload波形設(shè)置界面

輸出波形，存為payload_16qam。

Payload部分波形保存界面

3、波形合成

打開Arb Toolbox，使用composer功能進(jìn)行波形合成

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ARBToolBox界面

在composer窗口中，選擇上述制作的Pilot波形之后，點(diǎn)擊insert插入導(dǎo)頻

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ARBToolBox波形合成界面

再選擇payload_16qam，點(diǎn)擊插入，將其插入至Pilot后面

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ARBToolBox波形合成界面

這樣，一個40symbol的Pilot加上960symbol的Payload的波形文件就制作完成了。點(diǎn)擊target下的setting按鈕設(shè)置波形的輸出路徑之后，點(diǎn)擊run即可。

4、信號播放

將制作完成的波形拷貝進(jìn)信號源，在信號源的baseband菜單下選擇ARB。

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信號源baseband菜單

在Load waveform的選項(xiàng)中，選擇拷貝進(jìn)信號源的波形文件，設(shè)置好載波的頻率和電平，開啟ARB即可。

信號源ARB界面

多調(diào)制信號的解調(diào)

1、使用QPSK調(diào)制的Pilot同步

將信號源連接至頻譜儀之后，將頻譜儀preset，調(diào)整中心頻率為10GHz，調(diào)節(jié)span至合適的值，此時在頻譜模式下可以觀察到信號輸出的寬帶頻譜。

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頻譜儀頻譜界面可以觀察到信號

點(diǎn)擊mode，打開VSA，在此模式下進(jìn)行解調(diào)的配置，首先設(shè)置中心頻率以及參考電平至合適的值。

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頻譜儀VSA界面

點(diǎn)擊頻譜儀的meas config實(shí)體按鍵，在右側(cè)菜單選擇signal description進(jìn)行矢量信號的配置，保持與上文的Payload部分一致，設(shè)置調(diào)制方式16QAM，符號率1MHz，濾波器選擇RRC以及滾降系數(shù)0.2。

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頻譜儀VSA選件矢量信號設(shè)置

在Frame Structure選項(xiàng)卡中，去掉默認(rèn)勾選的”Same as for Data Symbols”之后，進(jìn)行pattern描述的設(shè)置，在此需要對Pilot信號的調(diào)制方式進(jìn)行設(shè)置，選擇QPSK。

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頻譜儀VSA選件-幀結(jié)構(gòu)設(shè)置

之后，點(diǎn)擊下方的frame structure config進(jìn)行信號內(nèi)部幀結(jié)構(gòu)配置。在上一章節(jié)中，我們制作了一個QPSK加上16QAM的信號。其中，在Pilot制作部分中，我們制作了一個40symbol長度的Pilot，在實(shí)際應(yīng)用中，Pilot中的一部分symbol可能會用來對后續(xù)Payload的部分進(jìn)行描述，如數(shù)據(jù)長度，使用的協(xié)議等。因此，實(shí)際應(yīng)用中可能只會有一部分Pilot的symbol而不是整個Pilot用來同步。

在本次示例中，我們截取Pilot中的第9-16個symbol作為同步用的pattern，因此在幀結(jié)構(gòu)中，前40個symbol的調(diào)制方式為pattern，后面960個symbol設(shè)置為data，前40個symbol中，第9-16個symbol的type設(shè)置為pattern，其余為data，如下圖進(jìn)行設(shè)置：

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VSA選件-幀結(jié)構(gòu)配置界面

配置完成后保存配置文件，之后再點(diǎn)擊apply。

此時主界面下方會出現(xiàn)報(bào)警

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頻譜儀下方未選擇pattern時的報(bào)警

這是因?yàn)槲覀冊趲Y(jié)構(gòu)中選擇了pattern，但是我們并沒有提供一個pattern供儀表對比。因此需要制作一個對比用的pattern文件。點(diǎn)擊meas config，選擇pattern config

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Pattern配置界面

點(diǎn)擊new制作一個新的pattern

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Pattern制作界面，需要與制作信號時輸入的部分pattern保持一致

如前文描述，我們選擇Pilot中的第9-16個symbol來進(jìn)行同步，由于調(diào)制方式為QPSK，因此對應(yīng)的pattern為第17-32個bit，這些bit換算成16進(jìn)制則為02232121。在pattern設(shè)置里Mod Order設(shè)置為4，然后輸入02232121，組成pattern1文件，保存為pattern1，如上圖所示。保存完畢后，選中剛才保存的pattern1文件，點(diǎn)擊下方的add to predefined list添加至備選列表。再點(diǎn)擊signal description，在上面選擇signal structure選項(xiàng)卡，勾選下方的pattern，并在列表中選擇剛才保存的pattern1.

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選擇之前制作的pattern

在主界面的signal capture選項(xiàng)中，需要對capture length的長度進(jìn)行修改，capture length表示儀表一次捕獲的長度。為了保證捕獲的穩(wěn)定性，通常來說設(shè)置的長度需要至少為信號幀長度的2倍。在本次示例中，信號一幀長度為1000symbol，因此捕獲長度至少為2000個symbol，若設(shè)置小于2000則有可能出現(xiàn)捕獲不成功的情況。因?yàn)閮x表是在pattern比對成功之后才會開始根據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，若小于2000，那么當(dāng)一個完整的pattern部分恰好出現(xiàn)在捕獲的第999-1038個symbol時，后續(xù)會因?yàn)椴东@的位數(shù)達(dá)不到Payload規(guī)定的960個symbol的長度而導(dǎo)致捕獲失敗。

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VSA選件捕獲長度設(shè)置

Result range選項(xiàng)中的length選擇1000（因?yàn)楸敬问纠行盘枎拈L度一共為40個QPSK加上960個16QAM符號），或者勾選according to frame structure file也可。

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VSA選件結(jié)果長度設(shè)置界面

此時回到主界面，發(fā)現(xiàn)星座圖已經(jīng)穩(wěn)定，EVM也較好，右下角的symbols界面中，前40項(xiàng)的邊框變綠，表示這部分為Pilot部分，調(diào)制方式與后面的信號不一樣，而這之間有8個symbol的底色變綠，這8個便是比對成功的pattern，同時可以發(fā)現(xiàn)后續(xù)16QAM調(diào)制的符號數(shù)值也穩(wěn)定不變。此時我們就在沒有外觸發(fā)的幫助下，通過pattern的比對完成了信號的同步。

完成pattern同步之后的VSA界面

2、使用16QAM中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)同步

在實(shí)際應(yīng)用中，還有可能出現(xiàn)沒有導(dǎo)頻的情況，但是如果我們知道傳輸信號的一部分內(nèi)容，在這種情況下也可以進(jìn)行同步。

還是以上述信號為例，假設(shè)我們只想對后續(xù)的Payload信號進(jìn)行分析，而我們知道Payload中第21-40個symbol的內(nèi)容，如通過上一節(jié)的分析我們可以得知本次示例的Payload的第21-40位內(nèi)容為：4FD925BF26A660319469。此時，修改pattern調(diào)制如下：

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VSA選件幀結(jié)構(gòu)設(shè)置界面

將pattern的調(diào)制方式改為與數(shù)據(jù)一樣，為16QAM，再修改幀結(jié)構(gòu)如下：

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VSA選件幀結(jié)構(gòu)詳細(xì)配置界面

此時需要設(shè)置一個新的pattern，取PRBS9數(shù)據(jù)的第21-40位組成新的pattern，注意此時mod order需要改成16。

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Pattern配置界面

最后，修改signalstructure中的pattern

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選擇上文設(shè)置好的pattern

此時發(fā)現(xiàn)也可以得到一個穩(wěn)定的結(jié)果如下

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使用payload部分進(jìn)行同步之后的VSA界面

多次點(diǎn)擊runsingle，可以發(fā)現(xiàn)有時候會出現(xiàn)EVM較差的情況，如下圖所示Evm從之前的0.61惡化到了6.81，星座圖也有多余的點(diǎn)。

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使用payload部分進(jìn)行同步可能出現(xiàn)的一種情況

這是因?yàn)镻RBS 9的序列只有2^9-1=511個bit，也就是說從第512個bit開始會重復(fù)。信號源在生成16QAM信號時，會使用4個bit轉(zhuǎn)換成一個symbol，那么在生成完127個symbol，也就是使用了508個bit之后，剩下的3個bit會跟隨第二次重復(fù)的PRBS 9序列重新生成symbol。

因此，即使bit序列開始了重復(fù)，16QAM調(diào)制的symbol因?yàn)槭褂玫腷it位數(shù)錯開，還沒有開始與第一個symbol重復(fù)。PRBS 9的511個bit序列重復(fù)了4次之后，此時信號源為了生成symbol剛好用完序列中最后一個bit，那么下一個symbol將會開始使用新的PRBS 9序列的第一個bit，從而與第一個16QAM調(diào)制的symbol重復(fù)。因此，在使用PRBS 9序列生成16QAM的信號時，一共會產(chǎn)生511×4÷4=511個不重復(fù)的symbol。

而我們在制作信號時生成了960個symbol，因此在前511個symbol發(fā)送完畢之后，會重新從第一個symbol開始發(fā)送，這樣會導(dǎo)致有重復(fù)的部分（包括設(shè)置的pattern部分），上述EVM比較差的情況便是pattern定位到了后面重復(fù)的一段，而幀結(jié)構(gòu)有960個，此時會有40個QPSK的symbol進(jìn)入影響EVM。這種情況下點(diǎn)擊sweep，選擇select result rng #2，將其改為1定位至第一段即可。

因此在工程應(yīng)用中，pattern需要不能夠太短，保證其唯一性，從而能夠更好的定位。

3、導(dǎo)頻幫助定位之后只進(jìn)行數(shù)據(jù)部分的測量

在上述測試中，結(jié)果中顯示的EVM為QPSK與16QAM調(diào)制信號的總體EVM。在實(shí)際應(yīng)用中，有的場景希望只測量其中一種調(diào)制方式或者是一部分symbol的EVM。K70M選件也具有這樣的測量功能。

下面將分別介紹payload部分和pilot部分的測試方法。

在本例中，對于整個1000個symbol，前面40個為Pilot。此時我們希望借助QPSK調(diào)制的pattern定位之后，僅對后面960個16QAM調(diào)制方式的Payload部分進(jìn)行分析。

打開range settings，在evaluation range選項(xiàng)卡下，去掉entire result range前面默認(rèn)的勾選，在start和stop中分別填上32和991（因?yàn)閺?8開始）表示對后960個符號進(jìn)行分析。

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分析范圍設(shè)置界面

設(shè)置之后主界面如下：

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使用pilot進(jìn)行同步之后，只對payload部分進(jìn)行分析

此時的EVM便是后960個symbol的測試結(jié)果，其中const I/Q（左上）和result summary（右上）窗口會用兩條豎線（紅圈處）表示此時的星座圖和分析結(jié)果只是整個信號中的一部分。Symbols窗口中的括號（黃圈處）表示分析的symbol范圍。

修改evaluation range中的字符范圍，可以對其他所感興趣的symbol部分進(jìn)行測試，例如對Pilot中的一段symbol進(jìn)行測試。

此時，如果希望對40位Pilot的中間24位（也就是第9-32位）進(jìn)行分析，可以把evaluation range中的start和stop分別修改為0和23（去掉前后8位），最終結(jié)果如下：

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單獨(dú)測試pilot部分的界面

觀察星座圖可以發(fā)現(xiàn)，與上文測量Payload部分的結(jié)果中只有16QAM不同，此時星座圖中只有QPSK的調(diào)制模式，而右上角的EVM測試的是Pilot部分中間24位QPSK調(diào)制信號的EVM。

總結(jié)：

由上述的測試示例可以發(fā)現(xiàn)，使用K70M選件解調(diào)多調(diào)制信號時會十分方便，具體有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、在pattern同步之后可以連續(xù)進(jìn)行測量，不需要采集一段之后分步進(jìn)行測試。

2、既可以測試整個信號幀的總體EVM，也可以分段測試特定調(diào)制模式的EVM或者是中間某一段的EVM，使用上非常靈活。

3、操作方便，設(shè)置好幀結(jié)構(gòu)之后可以直接通過pattern同步進(jìn)行測試。

本期主要介紹了使用K70M選件對多調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)的方法。在下一期中，我們將不借助K70M選件而使用其他的方法對同樣的多調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)。

審核編輯：劉清