CDMA2000 1x無線鏈路中QPSK調(diào)制的測量與凈化

無線信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)是無線通信的核心技術(shù)之一，通信制式改變，調(diào)制與解調(diào)方式也將改變。CDMA IS-95與cdma2000 1x的主要差別之一就是前向鏈路的調(diào)制方式不同，前者采用BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移鍵控）調(diào)制方式，后者從RC3開始在業(yè)務(wù)信道上采用QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控）調(diào)制方式。

1、QPSK調(diào)制簡介

實(shí)現(xiàn)QPSK等數(shù)字調(diào)制的主要部件是I/Q調(diào)制器。I/Q調(diào)制器將經(jīng)過編碼的I和Q基帶信息疊加在載波上。經(jīng)過I/Q調(diào)制，信號(hào)從直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系。I/Q調(diào)制的情況用狀態(tài)圖（也稱星座圖）表示。

QPSK意味著恒定包絡(luò)載波信號(hào)的相位從+45°→+135°、-45°→+45°或-135°→-45°，以90°的增量位移，因此在I/Q狀態(tài)圖上有4個(gè)離散的相位狀態(tài)，如圖1所示。也就是說，QPSK調(diào)制在I/Q狀態(tài)圖有兩個(gè)I和Q值，每個(gè)相位可以發(fā)送兩個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。

圖1 QPSK調(diào)制的I/Q狀態(tài)圖

2、衡量QPSK調(diào)制質(zhì)量的指標(biāo)

2.1波形質(zhì)量

CDMA網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際容量不僅與調(diào)制方式有關(guān)，還與調(diào)制質(zhì)量密切相關(guān)。波形質(zhì)量測量是CDMA系統(tǒng)發(fā)信機(jī)的基本性能測量項(xiàng)目之一。

波形質(zhì)量的品質(zhì)因素用Rho表示。在CDMA IS-95和cdma2000 1x最低標(biāo)準(zhǔn)中，Rho測量條件被定義為僅對(duì)一條導(dǎo)頻信道而言。將被測導(dǎo)頻信號(hào)與一個(gè)理想形態(tài)的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)際導(dǎo)頻信號(hào)中總會(huì)存在一定比例的非相關(guān)功率，因此，Rho是信號(hào)相關(guān)功率與總功率的比值，反映了導(dǎo)頻信道信號(hào)實(shí)際功率分布與理想功率分布的符合程度。最低標(biāo)準(zhǔn)建議Rho≥0.912。

CDMA網(wǎng)絡(luò)的前向鏈路只包含一條導(dǎo)頻信道。導(dǎo)頻信號(hào)的作用是使在其覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)用戶獲得基本的同步信息，也就是PN短碼中的相位信息，利用它們進(jìn)行信道估計(jì)和相干解調(diào)。因此，導(dǎo)頻信道的Rho無疑是一個(gè)十分重要的參數(shù)。

2.2誤差矢量幅度

在CDMA IS-95或cdma2000 1x相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有給出EVM（Error Vector Magnitude，誤差矢量幅度）的定義、測量及容限等具體要求。但是，在WCDMA 3GPP TS V6.2.0 Release 6中把EVM作為發(fā)射調(diào)制測量的一個(gè)指標(biāo)，規(guī)定在采用QPSK調(diào)制時(shí)，發(fā)射的合成信號(hào)的EVM應(yīng)≤17.5%，但未注明EVM取均方根值（RMS）還是峰值（PK），在實(shí)際測試中，這兩者有較大區(qū)別。

事實(shí)證明，EVM是衡量調(diào)制精度的一個(gè)重要參數(shù)。QPSK表示信號(hào)用90°的相移來區(qū)分相位狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)通過載波幅度和相位的變化進(jìn)行傳遞和發(fā)射，符號(hào)位置應(yīng)該在星座圖（也稱I/Q狀態(tài)圖）上4個(gè)特定的位置。理想情況下，QPSK調(diào)制的符號(hào)位置應(yīng)該在圖2所示星座圖上4個(gè)十字交叉處。

圖2 QPSK調(diào)制理想的I/Q狀態(tài)圖

但是，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)的符號(hào)位置總會(huì)偏離理想位置，它們之間的誤差既包含了相位誤差，又包含了幅度誤差，其合成量為矢量誤差。如圖3所示，EVM是在I/Q狀態(tài)圖上符號(hào)脈沖躍遷瞬間的I/Q的被測位置與I/Q基準(zhǔn)位置之間矢量誤差的均方根值。

圖3 QPSK在I/Q狀態(tài)圖上的EVM

EVM也可以用dB表示，即EVM=20lg（EVM%÷100%）dB。

在一些無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，常用相對(duì)星座誤差（Relative Constellation Error）來表示EVM，這樣也許更直觀、更易于理解。

3、QPSK調(diào)制的測量問題

如前所述，在CDMA IS-95和cdma2000 1x最低標(biāo)準(zhǔn)中只定義了導(dǎo)頻信道的波形質(zhì)量。導(dǎo)頻信道的波形質(zhì)量固然重要，但導(dǎo)頻+尋呼+同步+業(yè)務(wù)信道總的波形質(zhì)量更具有實(shí)際意義。

測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，使多信道波形質(zhì)量的測量成為現(xiàn)實(shí)。不管信道如何配置，只要預(yù)置一條導(dǎo)頻信道，就能同時(shí)對(duì)多條信道或?qū)ζ渲腥我庖粭l信道的波形質(zhì)量進(jìn)行測量，多條信道的波形質(zhì)量是各條信道的波形質(zhì)量的合成，稱為組合波形質(zhì)量。

圖4所示為單信道和組合信道QPSK調(diào)制測試實(shí)例。（a）中Rho為0.946 82，大于0.912的最低標(biāo)準(zhǔn)，但EVM分別為23.69% RMS和72.07% PK。（b）是由導(dǎo)頻（1）+尋呼（1）+業(yè)務(wù)（6）+同步（1）共9條信道組合而成的信道，其中Rho為0.948 84，EVM分別為23.18% RMS和62.09% PK。

圖4 信道QPSK調(diào)制測試實(shí)例

由此可見，對(duì)cdma2000 1x無線鏈路QPSK調(diào)制而言，Rho只是反映調(diào)制質(zhì)量的一個(gè)側(cè)面，僅以Rho來判斷調(diào)制是否正常是不全面的。在QPSK調(diào)制中，Rho正常的情況下，EVM未必正常；反之，EVM正常，Rho大多正常。

CDMA無線信號(hào)是頻域、時(shí)域、碼域及調(diào)制域的綜合特征函數(shù)。QPSK調(diào)制性能直接影響碼域參數(shù)，QPSK調(diào)制的正交性與碼域Walsh碼的正交性密切相關(guān)。測試實(shí)例可以證實(shí)，在Rho合格的情況下，如果EVM存在嚴(yán)重誤差，將會(huì)使Walsh碼失去正交性，增加碼域噪聲，產(chǎn)生碼域互調(diào)。在cdma2000 1x無線鏈路QPSK測試中，如果Rho不與EVM及星座圖相結(jié)合，往往不能比較客觀、完整地反映總的調(diào)制質(zhì)量。EVM和星座圖，與Rho相比能夠更好地反映鏈路中潛伏的I/Q相位誤差、放大器增益、濾波器工作狀態(tài)、幅度誤差等問題，是衡量調(diào)制質(zhì)量的另一個(gè)側(cè)面。在CDMA現(xiàn)網(wǎng)測量中，普遍存在Rho合格而EVM不合格現(xiàn)象，這是只重視Rho、忽視EVM測試的結(jié)果，必須引起足夠的重視。

4、QPSK調(diào)制的凈化

無線參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)凈化是提高系統(tǒng)容量，改善通信質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。辯證認(rèn)識(shí)CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，有的屬于優(yōu)化的范疇，有的則屬于凈化的范疇。例如QPSK調(diào)制異常，如果從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度去發(fā)現(xiàn)和解決問題，可能付出較大的代價(jià)未必能收到良好的效果，從網(wǎng)絡(luò)或參數(shù)凈化的角度反而更易于發(fā)現(xiàn)和解決問題。參數(shù)的凈化有利于網(wǎng)絡(luò)凈化，不斷凈化的網(wǎng)絡(luò)更易于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

QPSK調(diào)制是通過I/Q調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，I/Q調(diào)制器真正實(shí)現(xiàn)了以線性方式進(jìn)行正交調(diào)制。I/Q調(diào)制過程中的任何問題都會(huì)直接影響EVM。

I與Q之間的正交關(guān)系，意味著它們是同一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立分量，相互之間完全獨(dú)立。當(dāng)Q路信號(hào)輸入發(fā)生變化時(shí)，必然改變輸出的組合信號(hào)，但不應(yīng)改變1分量；同樣，當(dāng)I路輸入變化時(shí)，不應(yīng)影響Q路分量。如果I與Q信號(hào)之間的相位差不是90°，將產(chǎn)生相位誤差，形成圖5所示的一個(gè)失真的星座圖。

圖5 存在相位誤差時(shí)的星座圖

如果I/Q調(diào)制鏈路中的本振不穩(wěn)定，放大器線性差，導(dǎo)致雜散抑制及鄰道抑制性能下降，將產(chǎn)生相位噪聲，星座圖上的符號(hào)位置產(chǎn)生漂移，EVM誤差隨之增加，形成圖6所示的一個(gè)離散失真星座圖。

圖6 存在嚴(yán)重的相位噪聲時(shí)的星座圖

從以上幾個(gè)典型實(shí)例可見，導(dǎo)頻信道的Rho和組合信道的組合Rho能夠反映調(diào)制質(zhì)量的好壞，但不能告知影響調(diào)制質(zhì)量的具體原因。EVM能夠反映問題所在，以便找出影響調(diào)制質(zhì)量的原因。

所謂QPSK調(diào)制的凈化，就是依據(jù)QPSK調(diào)制的原理和規(guī)范，通過檢測及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在確保Rho合格的同時(shí)把EVM控制在最小范圍內(nèi)，使這兩者引起的調(diào)制域干擾、碼域干擾降至最低。

Rho與EVM可以在強(qiáng)場強(qiáng)和強(qiáng)干擾的情況下進(jìn)行測試。組合Rho與EVM等參數(shù)相結(jié)合，可以比較全面、透徹地反映引起信號(hào)質(zhì)量下降的具體原因，對(duì)于提高cdma2000 1x無線鏈路的調(diào)制效率乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量具有重要作用。