一、什么是IQ信號(hào)

下圖是一個(gè)用于生成正交信號(hào)的常見(jiàn)框圖（圖1）。還有一個(gè)相應(yīng)的接收機(jī)框圖，用于提取信號(hào)的同相（I）和正交（Q）分量（圖2）。信號(hào)由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后使用數(shù)字技術(shù)進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn) —— 但大多數(shù)正交接收機(jī)都是數(shù)字化的。

圖1. 正交調(diào)制器通過(guò)組合兩個(gè)已調(diào)制載波來(lái)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(jī)接收數(shù)字化的分量信號(hào)，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(hào)是通過(guò)將輸入信號(hào)與數(shù)字本地振蕩器（LO）相乘得到的。得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)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(hào)。Q通道的工作方式相同，但對(duì)本地振蕩器（LO）施加了90°的相移。在輸出端，我們得到了兩個(gè)數(shù)據(jù)流，通常稱(chēng)為接收信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)。

二、什么是誤差矢量幅度（EVM）

接收機(jī)的功能是從信號(hào)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(lái)表示，如圖3所示。現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)存在噪聲和其他不理想的情況，這會(huì)影響接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)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(lái)描述正交調(diào)制信號(hào)中的誤差。EVM有時(shí)也被稱(chēng)為相對(duì)星座誤差（RCE）。

圖3. 正交信號(hào)的矢量表示。

如圖4所示，誤差矢量表示測(cè)量信號(hào)與其理想信號(hào)之間的矢量差。EVM是在一段時(shí)間間隔內(nèi)（在有效符號(hào)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估）誤差矢量的均方根（RMS）值。EVM通常以理想信號(hào)的百分比形式給出，但也可能以dB形式呈現(xiàn)。理想信號(hào)可以定義為理想信號(hào)平均功率的平方根、平均符號(hào)功率或峰值信號(hào)電平。

圖4. EVM是誤差矢量的幅度，該誤差矢量是從理想信號(hào)指向測(cè)量信號(hào)繪制的。

測(cè)量EVM需要一個(gè)精確的接收機(jī)，它能夠?qū)y(cè)量到的信號(hào)與理想信號(hào)進(jìn)行比較。在當(dāng)今復(fù)雜的調(diào)制格式下，測(cè)量接收機(jī)必須了解所使用的特定調(diào)制格式，并且僅在有效的符號(hào)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行EVM測(cè)量。

三、什么是星座圖

圖5展示了16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）信號(hào)的星座圖。這16個(gè)矢量狀態(tài)中的每一個(gè)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(diǎn)，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(shí)際信號(hào)在這個(gè)顯示圖上會(huì)有所擴(kuò)散。寬帶噪聲、相位噪聲、非線(xiàn)性、頻率響應(yīng)誤差以及干擾信號(hào)，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(lái)表示四位數(shù)據(jù)（共16種組合）。

圖6展示了對(duì)一個(gè)16-QAM信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。左側(cè)的窗口顯示了與每個(gè)矢量狀態(tài)相關(guān)的點(diǎn)，這些點(diǎn)被一個(gè)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(gè)信號(hào)非常純凈，所有的點(diǎn)都在誤差界限內(nèi)，并且其EVM為0.37%。

圖6. 16-QAM信號(hào)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(shí)間也會(huì)顯示出來(lái)，這樣我們就可以觀(guān)察到矢量的過(guò)渡情況。這對(duì)于了解系統(tǒng)性能以及排查系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因而言，可能是非常重要的信息。

圖7展示了一個(gè)質(zhì)量下降的16-QAM信號(hào)，其EVM為10.0%。在圖的左側(cè)窗口中，我們可以看到星座點(diǎn)更加雜亂無(wú)章且分布更為分散。這與變差的EVM以及接收信號(hào)中增加的數(shù)字錯(cuò)誤情況是相符的。

圖7. 帶有信號(hào)誤差的16-QAM信號(hào)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(huì)導(dǎo)致星座點(diǎn)圍繞原點(diǎn)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(jī)或接收機(jī)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(duì)高功率信號(hào)降低發(fā)射機(jī)/接收機(jī)增益的過(guò)程。壓縮會(huì)導(dǎo)致星座圖中距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)（即振幅最大的點(diǎn)，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(jī)或接收機(jī)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(huì)降低接收機(jī)的信噪比（SNR）。需注意，信噪比惡化通常由接收機(jī)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(huì)導(dǎo)致星座點(diǎn)圍繞其理想位置隨機(jī)擴(kuò)散：信噪比越低，擴(kuò)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(jī)離散

4、IQ不平衡

IQ調(diào)制要求IQ調(diào)制器（發(fā)射機(jī)）和解調(diào)器（接收機(jī)）在I通道和Q通道具有相等的增益，并且在整個(gè)工作頻段內(nèi)需要保持90°的相移。然而，實(shí)際上這種平衡是不可能完全實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)致星座圖失真，如下所述。請(qǐng)注意，這里以16-QAM調(diào)制為例來(lái)說(shuō)明IQ不平衡問(wèn)題。

(a) 增益不平衡會(huì)導(dǎo)致星座圖在一個(gè)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(huì)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(qǐng)注意，下圖為便于解釋僅顯示了最外層點(diǎn)的偏移，而實(shí)際上，所有星座點(diǎn)都會(huì)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(huì)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(hào)鏈中存在的非期望的直流分量，混入到基帶I/Q信號(hào)或射頻調(diào)制信號(hào)中。直流泄露會(huì)直接疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致部分星座點(diǎn)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(shí)際混頻器存在LO-to-RF泄漏（LO自混頻）。當(dāng)LO信號(hào)泄漏到RF輸出端，并與自身混頻，

會(huì)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(hào)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(huì)有離散點(diǎn)落在外面

不同階QAM對(duì)信號(hào)的抗干擾能力是不一樣的，數(shù)字調(diào)制信號(hào)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(shuō)接收時(shí)需要較高的C/N比，才能達(dá)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(gè)方面折衷256QAM的符號(hào)點(diǎn)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(hào)、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(hào)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(hào)質(zhì)量指標(biāo)，反映了實(shí)際與理想信號(hào)的偏差。星座圖直觀(guān)展示了信號(hào)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(shí)需在帶寬利用率與抗干擾性間權(quán)衡，以確保通信質(zhì)量。