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介紹8PSK的調變訊號,根據ETSI(European Telecommunications Standards Institute)上的規範加以剖析。主要的量測包含錯誤向量的大小(Error Vector Magnitude, EVM)、頻率誤差(Frequency Error)及原點偏移量抑制(Origin Offset Suppression)。
在GSM系統中,對於系統來說,資料數據的傳輸,分為電路交換(Circuit Switch)及封包交換(Packet Switch),然而對於如何增加資料傳送速率,主要有幾種方式:
‧GSM使用TDMA(Time Division Multiple Access)的技術,藉由多重時槽(Multi-timeslots)的發射與接收來增加傳送、接收的速率。
‧藉由不同的編碼方式(Coding Scheme),來適應不同的傳輸環境。
‧在相同的符號率(Symbol Rate),使用8PSK的調變方式,來增加資料數據傳輸速率。
這些系統包含高速電路交換數據(High Speed Circuit Switch Data, HSCSD)、通用封包無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)、增強資料GSM演進(Enhanced Data GSM Evolution, EDGE)。HSCSD適用於高速檔案傳輸和多媒體視訊的應用。但HSCSD仍是一個交換式的系統,使用系統所指配固定時槽,進行多重時槽發射與接收,所以用戶仍須按通道使用的時間收費。因此,升級至HSCSD的吸引力,沒有GPRS般大。GPRS也使用多重時槽,可依系統動態來指配所傳輸的時槽,並有四種不同的編碼機制可使用,且系統升級的費用較低。
而EDGE因為需要使用新的調變系統,在第三代行動系統W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)建制完備及覆蓋率高之前,EDGE的系統仍有相當大的空間。現今已有一些大廠的雙模手機,如Nokia、Motorola,可進行W- CDMA與GSM/GPRS系統間的切換,並可在兩系統間換手。此外,也有許多手機具備了GSM/GPRS/EDGE的功能。可以預期,這些系統的整合將是未來市場的趨勢。這也顯示EDGE在這其中也扮演相當重要的角色,而許多國內的手機製造商已經進行試產,相信在未來的市場上,具有 GSM/GPRS/EDGE的功能手機也會越來越多,而實際的市場價格,與只有GSM/GPRS功能的手機,並不會有太大的差別。
在實際通訊連結的運用上,行動台與基地台之間標準激波(Normal Burst)並非全然是8PSK調變訊號。當發送控制訊息(Control Information)時,是以GMSK調變訊號來傳送訊息;當傳送資料時,才會以8PSK調變訊號或GMSK調變訊號來傳送資料。而接進激波 (Access Burst)也一定是以GMSK調變訊號來傳送訊息。針對8PSK調變訊號的分析,儀器必須要能分別出8PSK與GMSK。本文主要介紹的是8PSK的調變訊號,根據ETSI上的規範加以剖析。主要的量測包含錯誤向量的大小(Error Vector Magnitude, EVM)、頻率誤差及原點偏移量抑制(Origin Offset Suppression)。
基礎向量調變
在IQ圖上的信號表示
IQ圖示用來表示複數的訊號,字母I代表同相(In-phase),字母Q代表與I有九十度的相角差(Quadrature),任何一訊號,在某一瞬間,都可用向量的方式來表示。舉例來說,一個弦波在向量圖形上,用向量的方式來表示,振幅為R,相位角為A,如所示。
假如弦波的振幅或者是相位,會隨時間而改變,則向量會在IQ圖上移動。若為振幅調變(Amplitude Modulation),則向量的振幅會變動,但相角保持不變;若是頻率調變(Frequency Modulation),則向量會旋轉,但振幅保持不變。瞬間的頻率對於載波頻率,稱為頻率偏移量。當頻率偏移量為正時,向量會逆時針方向旋轉,當頻率偏移量為負時,向量則會正時針方向旋轉。對於數位調變則稱為FSK(Frequency Shift Keying),而GSM系統所使用的GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)就是FSK中的一種特例(Continuous Phase FSK, CPFSK)。當符號在變時,每一個位元資料以一個符碼表示。在相同的頻寬下,要增加數據的傳輸速率,讓每一符號能表示更多的資料位元,改變調變機制是必要的。
EDGE使用8PSK的調變
在EDGE系統中所使用的是8PSK的調變,共有8種狀態,每個狀態符碼表示3個位元,如左邊所示,在相同的符號率位元傳輸速率是原GMSK調變的3倍。當然天下也沒有白吃的午餐,8PSK的調變對於雜訊及干擾等抑制,就沒有GMSK調變來得好,對於接收機在相同的誤碼率(Bit Error Rate)下,8PSK的調變相對於GMSK調變,需要增加9dB以上的增益。
所有的PSK調變,都會有一個現象,就是訊號的軌跡會通過原點(Zero Crossing),會讓訊號的峰值功率與平均功率比(Peak to Average Ratio)增加,這也意味著系統需要較線性的功率放大器,這對於終端設備將會增加設計上的困難、成本與耗電量,因此設計不經過原點的8PSK調變是有必要的。EDGE所採用是3π/8的8PSK調變,工作原理是在每一個符號IQ軸都以逆時針方向旋轉3π/8的相位,最後所得出來的結果,如右邊所示,訊號的軌跡將不會經過原點,相對地可降低峰值功率與平均功率比。此外另一個好處是,相位的旋轉是不同於GMSK,它可以讓接收機在8PSK與GMSK作盲偵測 (Blind Detect),自動偵測出是8PSK調變還是GMSK調變。
一個固定的參考相位對於8PSK調變解調是必要的,因為資訊的傳送是以絕對的相位來解析,不像GMSK調變是以相對相位,並不以固定相位解析。固定相位在 8PSK調變是被包含在訓練序列(Training Sequence),與GSM一樣,EDGE也有八組訓練序列,在一個細胞(Cell)中,訓練序列是固定一組,所以行動台與基地台同步時,就已知是哪一組,而且訓練序列在8PSK調變中,八個符號狀態只用其中兩個,這讓行動台與基地台接收機找到固定的這兩固定點,進而得到固定的參考向量。因此,正確的訓練序列,對接收機與量測儀器是必要的輸入。
8PSK調變量測之分析
錯誤向量(Error Vector)的觀念
調變的精準值是在相同的資料下,去量測實際8PSK調變訊號與理想的8PSK調變訊號的不同。由於GMSK調變是固定振幅的調變,因此需要考量的相位與振幅的資訊可以分開討論,相位部分則是以相位誤差(Phase Error)來量化,振幅部分則由時間框罩(Time Mask)中間有效部分進行功率的量測(規範為±1dB);然而8PSK調變無法將相位與振幅的資訊分開討論,所以用EVM(Error Vector Magnitude)來分析訊號調變品質的好壞。EVM的計算方式,是以被測試的訊號經過解調後,得出所代表的資料,再根據所設定的調變方式、符號率、基頻濾波器等參數,將理想訊號(Ideal Signal)還原,由所還原的瞬間理想向量(Ideal Vector)所指向量測向量(Measured Vector)的向量,就叫作錯誤向量(Error Vector),如所示,錯誤向量的振幅,除以理想向量的振幅所得出的比例值就稱為EVM,以百分比表示之。
第百分之九十五的EVM值
(95th percentile EVM)
為了對於所有量測值的統計散佈進行量化,ETSI規範定立95th percentile EVM,定義為量測200個激波(Burst)的有效部分(Useful Part,在EDGE是不含結尾符號–Tail Symbols)。在每個符號會有EVM的值,95th percentile EVM則為所有的EVM值依大小排列在第95%的EVM值。一般來說,EVM可作為所有訊號缺陷(Impairment)的量測結果的描述,然而,還有一些特定的訊號缺陷並不包含在ETSI的EVM量測中:頻率誤差(Frequency Error)、原點偏移抑制(Origin Offset Suppression),及振幅衰退(Amplitude Droop)。
頻率誤差
頻率誤差是所被測試的訊號與所期待的載波頻率的誤差,通常來說,頻率誤差的原因是由參考時脈(Reference Clock)的不精確所造成,而一些在本地振盪器中的低頻雜訊,造成載波的向量軌跡相對於理想訊號提前或落後,假如頻率誤差若包含在EVM中,則EVM的值在整個激波將會增加,藉由從所有的錯誤相量分離出頻率誤差,將有助於訊號的分析。
原點偏移抑制
原點偏移抑制或稱為載波洩漏(Carrier Leakage)是由發射機的不良IQ調變器所造成的,結果使得參考平面平移,對於基頻來說,就是直流的偏移。
振幅衰退
振幅衰退通常是由不良的功率放大器所造成的,將會使整個激波中的輸出功率有斜率下降,一個線性的斜率功率下降,將導致EVM的升高,規範是將振幅衰退不包含於EVM量測計算之中,然而規範(Release99)並沒有加入振幅衰退的量測,而是在功率-時間的關係圖,以框罩(Mask)加以限制。但是這些振幅衰退量,卻可能嚴重影響整個調變訊號的品質,這個遺漏已被規範訂立組織所察覺,相信在之後的版本應該會對於振幅衰退加以規範。
均方根相位誤差(RMS Phase Error)與 均方根振幅誤差(RMS Magnitude Error)
這2個參數在ETSI的規範中並不包含,但從IS-136經驗建議這兩個量測是非常有用的,都是以每個符號點來計算相位誤差與振幅誤差(如所示),相位誤差是定義為理想向量與量測向量之間的夾角,而振幅誤差是定義為理想向量與量測向量的振幅差,再除以理想向量振幅,以百分比來代表之。
IQ不平衡(IQ Imbalance)
IQ不平衡對於調變品質EVM的結果有重大的影響。IQ振幅不平衡將導致相位的校準,從圓形變成橢圓,假如I路徑的振幅大於Q振幅,將會造成如左所示的結果,此為振幅的不平衡。若I或Q的路徑有時間差,則會產生相位的平移,而造成如右所示的結果,這就是IQ相位不平衡。然而在規範上並無相關的測試,對於設計者來說,這些問題卻不能不注意。根據ETSI的規範,IQ不平衡是被含在RMS EVM內的,但是,當IQ相位不平衡與振幅不平衡同時發生時,就很難釐清問題,最方便解決IQ不平衡問題,是用額外估算的方式,將RMS EVM降到最低,將不平衡從RMS EVM移出。
數位調變分析可針對電路除錯
數位調變的分析可藉由向量分析儀來分析,透過訊號處理分析,可以得出許多量測計算值,可以幫助射頻或基頻工程師,針對電路來除錯。工程師需要了解規範上各個量測參數背後所代表的意義,以及規範所沒有涵蓋的量測,是否也是造成整體訊號表現變差的原因。EDGE所使用的調變方式,雖然不是非常複雜,但分析上與之前GMSK調變有相當大的差異,若了解其調變原理在分析上也就不困難了。 |
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