芯耀
1089
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轉換為數字形式，然后使用數字技術進行處理。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 —— 但大多數正交接收機都是數字化的。
圖1. 正交調制器通過組合兩個已調制載波來產生調制輸出：同相部分i(t)和正交部分q(t)。正交載波相移90°。
圖2. 正交接收機接收數字化的分量信號，并將其分離為原始的同相數據流和正交數據流。
I信號是通過將輸入信號與數字本地振蕩器（LO）相乘得到的。得到的信號經過一個低通濾波器，以去除高頻分量，從而生成仍為數字形式的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，我們得到了兩個數據流，通常稱為接收信號的I/Q數據。
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?，F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并恢復所傳輸比特的能力。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（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。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，它能夠將測量到的信號與理想信號進行比較。在當今復雜的調制格式下，測量接收機必須了解所使用的特定調制格式，并且僅在有效的符號時間內進行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)在圖中應該是微小的點，不存在任何噪聲或失真。當然，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、頻率響應誤差以及干擾信號，所有這些因素都可能導致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據（共16種組合）。
圖6展示了對一個16-QAM信號的測量結果。左側的窗口顯示了與每個矢量狀態(tài)相關的點，這些點被一個圓形的誤差界限所包圍。落在誤差界限內的矢量被認為是“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，并且其EVM為0.37%。
圖6. 16-QAM信號的星座圖，其EVM為0.37%
在左側窗口中，矢量狀態(tài)僅在矢量的有效采樣窗口內顯示。然而，在右側窗口中，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展示了一個質量下降的16-QAM信號，其EVM為10.0%。在圖的左側窗口中，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制，它會導致星座點圍繞原點旋轉（圖8），迫使邊界區(qū)域相互靠近，從而導致 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. 相位噪聲導致星座圖旋轉
2、壓縮效應
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。壓縮會導致星座圖中距離原點最遠的點（即振幅最大的點，因此受壓縮效應影響最嚴重）被“向內拉”（圖9）。這種失真可能由發(fā)射機或接收機的壓縮引起，并導致EVM和誤碼率（BER）升高。
圖9. 壓縮效應導致星座圖向內拉伸
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（Noise Figure）引起，EVM和SNR之間的關系，可以用下面的公式求得。
低信噪比會導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導致星座圖隨機離散
4、IQ不平衡
IQ調制要求IQ調制器（發(fā)射機）和解調器（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的，從而導致星座圖失真，如下所述。請注意，這里以16-QAM調制為例來說明IQ不平衡問題。
(a) 增益不平衡會導致星座圖在一個方向上被拉伸，結果使星座圖呈矩形而非正方形。
圖11. IQ增益不平衡導致星座圖向一側拉伸
(b) 相位不平衡會導致星座圖發(fā)生傾斜，使其呈現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）會導致EVM和BER增加。
圖12.?IQ相位不平衡導致星座圖發(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信號或射頻調制信號中。直流泄露會直接疊加在信號上，導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）端口應完全隔離，但實際混頻器存在LO-to-RF泄漏（LO自混頻）。當LO信號泄漏到RF輸出端，并與自身混頻，
會產生直流分量。
（2）在零中頻（Direct-Conversion）架構中，I/Q調制器的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，數字調制信號調制方式越復雜，頻率帶寬利用率越高，調制方式越復雜，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量，選擇調制方式需要根據通信系統(tǒng)在這兩個方面折衷256QAM的符號點間距離比BPSK調制近的多，這意味256QAM和BPSK相比容易被干擾而造成誤碼。（圖14）
圖14. 不同調制方式抗干擾的能力
總結
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信號作為正交調制基礎，其數字化處理至關重要；EVM作為信號質量指標，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、寬帶噪聲、IQ不平衡及直流泄露。不同調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衡，以確保通信質量。
