CN103051585A - 基于iq平面椭圆轨迹的数字调制参量计量方法与装置 - Google Patents

Abstract

目前矢量误差幅度等数字调制误差参量计量存在问题。首先，信号源和矢量信号分析仪闭环互测，量值难以溯源。其次，缺乏误差设置。为此提出新的计量方法，即通过设置连续波的衰减和相移参量，在IQ平面上构造椭圆轨迹，等效出具有标准调制误差的MPSK信号的方法。这种等效MPSK信号的误差矢量幅度仅由射频衰减和相移参量决定，是可溯源、可解析计算、在较大范围内可调的。方法得到了实验证实。这种方法和装置可以对无线通信综合测试仪、矢量信号分析仪的矢量解调功能进行计量校准。

Description

基于IQ平面椭圆轨迹的数字调制参量计量方法与装置

技术领域

本发明涉及数字通讯技术，尤其是涉及在信息传输技术中，对无线通信综合测试仪、矢量信号分析仪的矢量解调功能进行计量校准的方法与装置。 

背景技术

数字调制信号是现代信息传输的重要载体，已成为信息社会的基石之一，比如移动通信系统使用的QPSK信号和数字有线电视使用的QAM信号等。其中矢量误差幅度（EVM）是衡量数字调制误差的关键参量。和所有的物理量一样，该参量也必须经过可信、可溯源的计量。但目前EVM的计量是一个世界范围内的难题。 

在本文中使用如下表述：M进制移相键控数字调制，表述为MPSK；矢量误差幅度均方根值，表述为EvmRms。 

EVM计量工作的主要形式是数字矢量调制信号发生器（VSG）和矢量信号分析仪（VSA）的计量校准，其存在两大问题： 

一、难于量值溯源。目前校准规范规定的计量方法是使用矢量信号分析仪校准信号源，使用信号源作为标准器校准分析仪，这是一个闭环，这个闭环和其他的计量标准几乎没有联系，是个“空中楼阁”，难于实现量值溯源。图1说明了该问题。图1是现有数字调制参量的计量方法,显示了不可溯源的闭环。 

发明人也参与了国家校准规范的制定，当时业内认为标准规定的数字调制误差计量方法是不够完善的，但是当时国内国际都缺乏相关理论基础和实验方法，只能在校准规范中使用权宜方法。 

缺乏对误差设置。在校准VSA时，数字调制信号源发射标准的调制信号，不对信号进行误差设置，实际上是只在EVM的“0”点附近进行测试，这是不符合实用要求的。因为VSA的作用之一就是测量较宽 范围内的EVM值，以第三代移动通信制式TD-SCDMA为例，标准规定调制信号EVM的限值是低于17.5%，起码应该在这个范围内设置不同的EVM值。正如某卡尺的量程是10厘米，而只使长度0.1厘米量块去校准卡尺，是不够的。我国研究人员已经在相关文献中指出了类似问题。 

发明内容

本发明的目的是提出一种创新的方法和装置，以实现数字矢量调制信号发生器（VSG）和矢量信号分析仪（VSA）的计量校准的量值溯源和误差设置这两个问题的联合解决。 

为了实现本发明的目的，提出一种基于IQ平面椭圆轨迹的数字调制参量计量方法，所述方法以Mfb的速率对在正交坐标系上以角速度2πfb旋转的矢量圆V(t)进行抽样，形成的星座点就是矢量圆内割正M边形的M个顶点，其中，所述V(t)的表达式如（1）式： 

在VSA内置MPSK解调模式，将所述M个抽样点对应到MPSK星座点，将V(t)等效为符号速率Rs=MfbBaud的MPSK信号，所述符号序列沿MPSK设计星座点依次取值； 

使用频率为fd的载波将V(t)调制到射频，对应信号C(t)： 

C(t)＝cos2πf_dtcos2πf_bt-sin2πf_dtsin2πf_bt             (2) 

赋予C(t)IQ增益不平衡度g和相位不平衡度φ，C(t)变换为椭圆IQ正交调制信号Cim(t)： 

$C_{\mathrm{im}}\left(t\right)=\cos 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\cos (2\mathrm{\π}{f}_{d}t+\frac{\mathrm{\φ}}{2})$

$-g\sin 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\sin (2\mathrm{\π}{f}_{d}t-\frac{\mathrm{\φ}}{2})---\left(3\right)$

其中，具有IQ幅度不平衡度g和相位不平衡度φ的正交调制信号的EvmRms理论值： 

$\mathrm{EvmRms}(g,\mathrm{\φ})=\sqrt{2-\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)(1+g)\sqrt{\frac{2}{g^2+1}}}---\left(4\right)$

将EvmRms溯源到射频移相器和射频衰减标准，同时实现标准EvmRms值在较大范围内的连续设置，即实现量值溯源和误差设置。 

为了实现本发明的方法，进一步提出具体步骤： 

1）产生一个基带连续波信号cos(2πfbt)； 

2）将基带连续波信号cos(2πfbt)分为功率相等的两部分基带信号：BI(t)和BQ(t)，其中，BQ(t)经过一个“-90°移相器”后产生； 

3）产生一个射频载波连续波信号cos(2πfdt)； 

4）将射频载波连续波信号cos(2πfdt)被分为功率相等的两部分载波信号：CI(t)和CQ(t)，其中，CQ(t)另外一部分过一个“90°-φ移相器”后，再经过一个射频衰减器产生； 

5）将基带信号BI(t)和载波信号CI(t)在调制器MI处进行调制，将基带信号BQ(t)和载波信号CQ(t)在调制器MQ处进行调制，其中调制器MI和调制器MQ具有一致的物理特性； 

6）将调制器MI和MQ的输出进行相加，得到预期的“椭圆IQ正交调制信号”； 

7）通过下式获得椭圆IQ正交调制信号该信号的EvmRms值，对VSA的数字调制误差分析功能进行计量： 

$\mathrm{EvmRms}(g,\mathrm{\φ})=\sqrt{2-\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)(1+g)\sqrt{\frac{2}{g^2+1}}}---\left(5\right).$

本发明还提出一种基于IQ平面椭圆轨迹的数字调制参量计量装置，一时鲜本发明的方法，所述计量装置包括： 

基带连续波发生器，用于产生一个基带连续波信号； 

功分器B，用于将基带连续波信号分为功率相等的两部分基带信号； 

-90°移相器，用与对两部分基带信号中的一部分基带信号移相-90°； 

载波连续波发生器，用于产生一个射频载波连续波信号； 

功分器C，用于将射频载波连续波信号分为功率相等的两部分载波信号； 

“90°-φ移相器和射频衰减器，用于对两部分载波信号其中一部分移相90°-φ和信号衰减，所述射频衰减器的衰减值经过校准； 

调制器MI和调制器MQ，对基带信号和载波信号进行调制，所述调制器MI和调制器MQ具有一致的物理特性； 

合路器，将所述调制器MI和MQ的输出进行相加，得到椭圆IQ正交调制信号。 

附图说明

图1显示现有数字调制参量的计量方法； 

图2显示(4)式信号的IQ平面椭圆轨迹，其中，幅度不平衡度g=3dB，相位不平衡度 

图3为椭圆IQ正交调制信号产生装置； 

图4显示EvmRms的测量值； 

图5显示EvmRms测量数据的时域序列和概率密度分析，其中，幅度不平衡度g=3dB，相位不平衡度 

图6显示EVM计量方法的量值溯源图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。 

本发明提出新的方法和装置，以实现量值溯源和误差设置这两个问题的联合解决。下面简述发明原理。 

假设矢量V(t)在正交坐标系上是一个以角速度2πfb旋转的矢量圆，则其表达式如（1）式所示： 

如果以Mfb的速率对矢量圆V(t)进行抽样，形成的星座点就是矢量圆内割正M边形的M个顶点，如果VSA内置MPSK（如M=2，4，8）解调模式，则可以将这M个抽样点对应到MPSK星座点。这说明：V(t)等效为符号速率Rs=MfbBaud的MPSK信号。其符号序列沿MPSK设计星座点依次取值。使用频率为fd的载波将V(t)调制到射频，对应信号C(t)： 

C(t)＝cos2πf_dtcos2πf_bt-sin2πf_dtsin2πf_bt            (7) 

如果赋予C(t)IQ增益不平衡度g和相位不平衡度φ，C(t)变换为Cim(t)： 

$C_{\mathrm{im}}\left(t\right)=\cos 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\cos (2\mathrm{\π}{f}_{d}t+\frac{\mathrm{\φ}}{2})$

$-g\sin 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\sin (2\mathrm{\π}{f}_{d}t-\frac{\mathrm{\φ}}{2})---\left(8\right)$

可证明Cim(t)对应的IQ基带矢量信号Vim(t)为： 

$V_{\mathrm{im}}\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{b}t+\frac{\mathrm{\φ}}{2})+\mathrm{jg}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{b}t-\frac{\mathrm{\φ}}{2})---\left(9\right)$

在IQ复平面上，（4）式信号Vim(t)的轨迹是一个椭圆，如图2所示，图2显示(4)式信号的IQ平面椭圆轨迹，幅度不平衡度g=3dB，相位不平衡度φ=20°。 

直观起见，可称（3）式所示信号Cim(t)为“椭圆IQ正交调制信号”。在其他失真因素可忽略的前提下，发明人通过数学推导得到了：具有IQ幅度不平衡度g和相位不平衡度φ的正交调制信号的EvmRms理论值公式如（5）式，（5）式中g为线性量纲。 

$\mathrm{EvmRms}(g,\mathrm{\φ})=\sqrt{2-\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)(1+g)\sqrt{\frac{2}{g^2+1}}}---\left(10\right)$

通过这个公式，就有可能以解析计算的方式将EvmRms溯源到射频 移相器和射频衰减标准，同时实现标准EvmRms值在较大范围内的连续设置，即实现量值溯源和误差设置这两个问题的联合解决。 

该方法的基本思路之一是设置正交幅度和相位不平衡度，正交IQ调制是一种成熟通用的结构。本发明改进之处在于：以按照（1）式巧妙设定频率的连续波替代基带信号I(t)和Q(t)，且加入了射频移相器和衰减器，以构成（3）式所示信号Cim(t)，在IQ平面上构造椭圆，具体可由如图3所示装置实现。图3是椭圆IQ正交调制信号产生装置。 

下面对图3所示发明结构进行说明：该结构的总体目标是产生一个EvmRms可控、可解析计算、可溯源的符号速率Rs=MfbBaud的MPSK信号。其具体的实现结构是： 

1，“基带连续波发生器”用于产生一个基带连续波信号cos(2πfbt)。 

2，经过功分器B，cos(2πfbt)被分为功率相等的两部分，其中一部分用BI(t)表示，另外一部分经过一个“-90°移相器”后，用BQ(t)表示。这样相当于产生了基带上的I路和Q路信号。 

3，“载波连续波发生器”用于产生一个射频载波连续波信号cos(2πfdt)。 

4，经过功分器C，cos(2πfdt)被分为功率相等的两部分，其中一部分用CI(t)表示，另外一部分经过一个“90°-φ移相器”后，再经过一个射频衰减器，该衰减器的衰减值经过校准，用线性单位表示的幅度系数值是g，通过衰减器后的载波信号用CQ(t)表示。这样相当于产生了I路和Q路对应的载波信号。 

5，将基带信号BI(t)和载波信号CI(t)在调制器MI处进行调制，将基带信号BQ(t)和载波信号CQ(t)在调制器MQ处进行调制，其中调制器MI和调制器MQ具有一致的物理特性。 

6，将调制器MI和MQ的输出在“合路器”处进行相加，就可以得到预期的“椭圆IQ正交调制信号”。该信号的EvmRms值是可控、可解 析计算、可溯源的。使用该信号可以对VSA的数字调制误差分析功能进行计量。 

下面给出一个基于图3所示发明结构的计量操作的实例，目标是对VSA在载波1000MHz，符号速率为4M baud的QPSK解调分析进行计量。 

1，使得图3结构中“基带连续波发生器”产生一个频率为1MHz的连续波信号，其频率设置的原则是 

2，使得图3结构中“载波连续波发生器”产生一个频率为1000MHz的连续波信号。 

3，将“90°-φ移相器”中的φ设置为10°。 

4，将“衰减器”的衰减值设置为3dB，即线性的幅度系数为g=0.708。 

5，然后基于公式（2）计算 

$\mathrm{EvmRms}\left(\mathrm{0.708,10}\mathrm{deg}\right)=\sqrt{2-\cos \left(\frac{10\mathrm{deg}}{2}\right)(1+0.708)\sqrt{\frac{2}{{0.708}^2+1}}}=19\%$

6，将合路器的输出的信号输出到VSA的射频输入，VSA的载波设置为1000MHz，解调模式设置为4M baud的QPSK解调，measurement filter设置为off，reference filter设置为升余弦滤波，滚降系数设置为0.22，分析带宽设置为3MHz。将参考电平优化调整，然后测量EvmRms值，与刚才计算得到的19%进行对照，就完成了计量的过程。 

图3所示发明方案在溯源性上有优势： 

1、数字基带信号误差参量的溯源也是一个尚未解决的难题。本文提出使用连续波替代数字调制基带信号I(t)+jQ(t)，是由于连续波的功率、相位噪声、波形、相位等等参量均可以有效溯源，而且现有装置能够产生纯度很高的连续波。 

2、数字基带信号I(t)+jQ(t)具有一定带宽，调制器具有非理想的频率特性，两者作用可能造成信号的失真。调制器在一定带宽内的非理想频率特性是不容易验证、溯源的，在功率较大时涉及非线性失真， 验证、溯源更困难。连续波信号在频域看只有一条离散谱线，可以避免这个问题。 

3、(3)式所示信号Cim(t)可以表示为两路连续波的组合。两路连续波的幅度比值只和g、φ有关系，这样就可以通过监测输出信号的两个频谱分量的功率比值，来进一步验证g、φ设置的准确性，这就提供了一个有用的约束条件。 

关于上述第3点，证明如下。通过积化和差将（3）式展开，整理可得： 

$C_{\mathrm{im}}\left(t\right)=\frac{\left\{\begin{array}{c}{A}_1\cos [2\mathrm{\π}(f_d+f_b)t+{\mathrm{\γ}}_1]\\ +A_2\cos [2\mathrm{\π}(f_d-f_b)t+{\mathrm{\γ}}_2]\end{array}\right\}}{2}---\left(11\right)$

其中： 

$A_1=\sqrt{(1+g^2)+2g\cos \mathrm{\φ}}---\left(12\right)$

${\mathrm{\γ}}_1=\arctan \left[\frac{(1-g)\sin \frac{\mathrm{\φ}}{2}}{(1+g)\cos \frac{\mathrm{\φ}}{2}}\right]---\left(13\right)$

$A_2=\sqrt{(1+g^2)-2g\cos \mathrm{\φ}}---\left(14\right)$

${\mathrm{\γ}}_2=\arctan \left[\frac{(1+g)\sin \frac{\mathrm{\φ}}{2}}{(1-g)\cos \frac{\mathrm{\φ}}{2}}\right]---\left(15\right)$

由（7）式、（9）式可知两连续波的幅度比值只和g、φ有关。 

实验验证 

发明人已经使用软件无线电的方式架构了图3所示装置，生成（3）式信号，在g-φ的坐标系中设置一组较密集的点阵。g从0dB开始，以步进0.2dB变化至3dB；φ：从0deg开始，以步进2deg变化至20deg，则共产生11×16种不同的“椭圆IQ正交调制信号”，射频功率输出-15dBm。使用VSA测量对应EvmRms值，并且和理论计算值比对。图4所示为EvmRms的测量值。 

Claims (3)

1.一种基于IQ平面椭圆轨迹的数字调制参量计量方法，其特征在于，所述方法以Mfb的速率对在正交坐标系上以角速度2πfb旋转的矢量圆V(t)进行抽样，形成的星座点就是矢量圆内割正M边形的M个顶点，其中，所述V(t)的表达式如（1）式：

在VSA内置MPSK解调模式，将所述M个抽样点对应到MPSK星座点，将V(t)等效为符号速率Rs=MfbBaud的MPSK信号，所述符号序列沿MPSK设计星座点依次取值；

使用频率为fd的载波将V(t)调制到射频，对应信号C(t)：

C(t)=cos2πf_dtcos2πf_bt-sin2πf_dtsin2πf_bt        (2)

赋予C(t)IQ增益不平衡度g和相位不平衡度φ，C(t)变换为椭圆IQ正交调制信号Cim(t)：

$C_{\mathrm{im}}\left(t\right)=\cos 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\cos (2\mathrm{\π}{f}_{d}t+\frac{\mathrm{\φ}}{2})$

$-g\sin 2\mathrm{\π}{f}_{b}t\sin (2\mathrm{\π}{f}_{d}t-\frac{\mathrm{\φ}}{2})---\left(3\right)$

其中，具有IQ幅度不平衡度g和相位不平衡度φ的正交调制信号的EvmRms理论值：

$\mathrm{EvmRms}(g,\mathrm{\φ})=\sqrt{2-\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)(1+g)\sqrt{\frac{2}{g^2+1}}}---\left(4\right)$

将EvmRms溯源到射频移相器和射频衰减标准，同时实现标准EvmRms值在较大范围内的连续设置，即实现量值溯源和误差设置。

2.根据权利要求1所述的数字调制参量计量方法，其特征在于具体包括步骤：

1）产生一个基带连续波信号cos(2πfbt)；

2）将基带连续波信号cos(2πfbt)分为功率相等的两部分基带信号：BI(t)和BQ(t)，其中，BQ(t)经过一个“-90°移相器”后产生；

3）产生一个射频载波连续波信号cos(2πfdt)；

4）将射频载波连续波信号cos(2πfdt)被分为功率相等的两部分载波信号：CI(t)和CQ(t)，其中，CQ(t)另外一部分过一个“90°-φ移相器”后，再经过一个射频衰减器产生；

5）将基带信号BI(t)和载波信号CI(t)在调制器MI处进行调制，将基带信号BQ(t)和载波信号CQ(t)在调制器MQ处进行调制，其中调制器MI和调制器MQ具有一致的物理特性；

6）将调制器MI和MQ的输出进行相加，得到预期的“椭圆IQ正交调制信号”；

7）通过下式获得椭圆IQ正交调制信号该信号的EvmRms值，对VSA的数字调制误差分析功能进行计量：

$\mathrm{EvmRms}(g,\mathrm{\φ})=\sqrt{2-\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)(1+g)\sqrt{\frac{2}{g^2+1}}}---\left(5\right).$

3.一种基于IQ平面椭圆轨迹的数字调制参量计量装置，其特征在于，所述计量装置包括：

基带连续波发生器，用于产生一个基带连续波信号；

功分器B，用于将基带连续波信号分为功率相等的两部分基带信号；

-90°移相器，用与对两部分基带信号中的一部分基带信号移相-90°；

载波连续波发生器，用于产生一个射频载波连续波信号；

功分器C，用于将射频载波连续波信号分为功率相等的两部分载波信号；

“90°-φ移相器和射频衰减器，用于对两部分载波信号其中一部分移相90°-φ和信号衰减，所述射频衰减器的衰减值经过校准；

调制器MI和调制器MQ，对基带信号和载波信号进行调制，所述调制器MI和调制器MQ具有一致的物理特性；

合路器，将所述调制器MI和MQ的输出进行相加，得到椭圆IQ正交调制信号。

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