芯耀
241
一、什么是IQ信號
下圖是一個用于生成正交信號的常見框圖（圖1）。還有一個相應(yīng)的接收機框圖，用于提取信號的同相（I）和正交（Q）分量（圖2）。信號由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后使用數(shù)字技術(shù)進行處理。并非一定要采用這種方式——該系統(tǒng)也可以用模擬電路來實現(xiàn) —— 但大多數(shù)正交接收機都是數(shù)字化的。
圖1. 正交調(diào)制器通過組合兩個已調(diào)制載波來產(chǎn)生調(diào)制輸出：同相部分i(t)和正交部分q(t)。正交載波相移90°。
圖2. 正交接收機接收數(shù)字化的分量信號，并將其分離為原始的同相數(shù)據(jù)流和正交數(shù)據(jù)流。
I信號是通過將輸入信號與數(shù)字本地振蕩器（LO）相乘得到的。得到的信號經(jīng)過一個低通濾波器，以去除高頻分量，從而生成仍為數(shù)字形式的I信號。Q通道的工作方式相同，但對本地振蕩器（LO）施加了90°的相移。在輸出端，我們得到了兩個數(shù)據(jù)流，通常稱為接收信號的I/Q數(shù)據(jù)。
二、什么是誤差矢量幅度（EVM）
接收機的功能是從信號中提取矢量信息，這些信息可以用幅度/相位形式或I/Q形式來表示，如圖3所示。現(xiàn)實世界中的信號存在噪聲和其他不理想的情況，這會影響接收機對信號進行解調(diào)并恢復(fù)所傳輸比特的能力。通信行業(yè)使用EVM這一概念來描述正交調(diào)制信號中的誤差。EVM有時也被稱為相對星座誤差（RCE）。
圖3. 正交信號的矢量表示。
如圖4所示，誤差矢量表示測量信號與其理想信號之間的矢量差。EVM是在一段時間間隔內(nèi)（在有效符號時間點進行評估）誤差矢量的均方根（RMS）值。EVM通常以理想信號的百分比形式給出，但也可能以dB形式呈現(xiàn)。理想信號可以定義為理想信號平均功率的平方根、平均符號功率或峰值信號電平。
圖4. EVM是誤差矢量的幅度，該誤差矢量是從理想信號指向測量信號繪制的。
測量EVM需要一個精確的接收機，它能夠?qū)y量到的信號與理想信號進行比較。在當(dāng)今復(fù)雜的調(diào)制格式下，測量接收機必須了解所使用的特定調(diào)制格式，并且僅在有效的符號時間內(nèi)進行EVM測量。
三、什么是星座圖
圖5展示了16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）信號的星座圖。這16個矢量狀態(tài)中的每一個都代表4比特的信息。理想情況下，這些狀態(tài)在圖中應(yīng)該是微小的點，不存在任何噪聲或失真。當(dāng)然，通信信道總是不完美的，所以實際信號在這個顯示圖上會有所擴散。寬帶噪聲、相位噪聲、非線性、頻率響應(yīng)誤差以及干擾信號，所有這些因素都可能導(dǎo)致EVM變差。
圖5. 16-QAM使用幅度和相位的16種組合來表示四位數(shù)據(jù)（共16種組合）。
圖6展示了對一個16-QAM信號的測量結(jié)果。左側(cè)的窗口顯示了與每個矢量狀態(tài)相關(guān)的點，這些點被一個圓形的誤差界限所包圍。落在誤差界限內(nèi)的矢量被認(rèn)為是“良好”的，而落在界限外的則是“不良”的。所顯示的這個信號非常純凈，所有的點都在誤差界限內(nèi)，并且其EVM為0.37%。
圖6. 16-QAM信號的星座圖，其EVM為0.37%
在左側(cè)窗口中，矢量狀態(tài)僅在矢量的有效采樣窗口內(nèi)顯示。然而，在右側(cè)窗口中，有效狀態(tài)之間的時間也會顯示出來，這樣我們就可以觀察到矢量的過渡情況。這對于了解系統(tǒng)性能以及排查系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的原因而言，可能是非常重要的信息。
圖7展示了一個質(zhì)量下降的16-QAM信號，其EVM為10.0%。在圖的左側(cè)窗口中，我們可以看到星座點更加雜亂無章且分布更為分散。這與變差的EVM以及接收信號中增加的數(shù)字錯誤情況是相符的。
圖7. 帶有信號誤差的16-QAM信號的星座圖，其EVM為10.0% 。
1、相位噪聲誤差
相位噪聲是載波的非期望調(diào)制，它會導(dǎo)致星座點圍繞原點旋轉(zhuǎn)（圖8），迫使邊界區(qū)域相互靠近，從而導(dǎo)致 EVM 和誤碼率（BER）升高。相位噪聲通常由發(fā)射機或接收機引入，而非信道本身。
圖8. 相位噪聲導(dǎo)致星座圖旋轉(zhuǎn)
2、壓縮效應(yīng)
壓縮或飽和是指針對高功率信號降低發(fā)射機/接收機增益的過程。壓縮會導(dǎo)致星座圖中距離原點最遠(yuǎn)的點（即振幅最大的點，因此受壓縮效應(yīng)影響最嚴(yán)重）被“向內(nèi)拉”（圖9）。這種失真可能由發(fā)射機或接收機的壓縮引起，并導(dǎo)致EVM和誤碼率（BER）升高。
圖9. 壓縮效應(yīng)導(dǎo)致星座圖向內(nèi)拉伸
3、寬帶噪聲（低信噪比）
寬帶噪聲會降低接收機的信噪比（SNR）。需注意，信噪比惡化通常由接收機的高噪聲系數(shù)（Noise Figure）引起，EVM和SNR之間的關(guān)系，可以用下面的公式求得。
低信噪比會導(dǎo)致星座點圍繞其理想位置隨機擴散：信噪比越低，擴散程度和誤差矢量幅度（EVM）越大（誤碼率越高）（圖10）。
圖10. 低SNR導(dǎo)致星座圖隨機離散
4、IQ不平衡
IQ調(diào)制要求IQ調(diào)制器（發(fā)射機）和解調(diào)器（接收機）在I通道和Q通道具有相等的增益，并且在整個工作頻段內(nèi)需要保持90°的相移。然而，實際上這種平衡是不可能完全實現(xiàn)的，從而導(dǎo)致星座圖失真，如下所述。請注意，這里以16-QAM調(diào)制為例來說明IQ不平衡問題。
(a) 增益不平衡會導(dǎo)致星座圖在一個方向上被拉伸，結(jié)果使星座圖呈矩形而非正方形。
圖11. IQ增益不平衡導(dǎo)致星座圖向一側(cè)拉伸
(b) 相位不平衡會導(dǎo)致星座圖發(fā)生傾斜，使其呈現(xiàn)梯形而非理想的正方形。請注意，下圖為便于解釋僅顯示了最外層點的偏移，而實際上，所有星座點都會因相位不平衡而偏離其理想位置。QAM星座圖偏離理想正方形（由于增益或相位不平衡）會導(dǎo)致EVM和BER增加。
圖12.?IQ相位不平衡導(dǎo)致星座圖發(fā)生傾斜
5、直流泄露
直流泄露（DC Offset）是指信號鏈中存在的非期望的直流分量，混入到基帶I/Q信號或射頻調(diào)制信號中。直流泄露會直接疊加在信號上，導(dǎo)致部分星座點超出判決區(qū)域，使EVM變得惡化（圖13）。
直流泄露的原因：
（1）理想混頻器的本振（LO）和射頻（RF）端口應(yīng)完全隔離，但實際混頻器存在LO-to-RF泄漏（LO自混頻）。當(dāng)LO信號泄漏到RF輸出端，并與自身混頻，
會產(chǎn)生直流分量。
（2）在零中頻（Direct-Conversion）架構(gòu)中，I/Q調(diào)制器的LO信號可能直接耦合到輸出，形成載波泄漏（Carrier Leakage）。
圖13. 直流泄露導(dǎo)致星座圖會有離散點落在外面
不同階QAM對信號的抗干擾能力是不一樣的，數(shù)字調(diào)制信號調(diào)制方式越復(fù)雜，頻率帶寬利用率越高，調(diào)制方式越復(fù)雜，抗干擾能力越差，功率利用率低，也就是說接收時需要較高的C/N比，才能達到相同傳輸質(zhì)量，選擇調(diào)制方式需要根據(jù)通信系統(tǒng)在這兩個方面折衷256QAM的符號點間距離比BPSK調(diào)制近的多，這意味256QAM和BPSK相比容易被干擾而造成誤碼。（圖14）
圖14. 不同調(diào)制方式抗干擾的能力
總結(jié)
本文全面解析了IQ信號、誤差矢量幅度（EVM）及星座圖在通信系統(tǒng)中的核心概念與影響。IQ信號作為正交調(diào)制基礎(chǔ)，其數(shù)字化處理至關(guān)重要；EVM作為信號質(zhì)量指標(biāo)，反映了實際與理想信號的偏差。星座圖直觀展示了信號狀態(tài)，其失真受多種因素影響，包括相位噪聲、壓縮效應(yīng)、寬帶噪聲、IQ不平衡及直流泄露。不同調(diào)制方式抗干擾能力各異，選擇時需在帶寬利用率與抗干擾性間權(quán)衡，以確保通信質(zhì)量。
