概要信息：

射频电路测试原理
第八讲 矢量信号分析仪(VSA)
leiyh@mail.tsinghua.edu.cn
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参考文献
Agilent仪器说明书\89441A_矢量信号分析仪\Complex 
Meas_5965-8554E
..\Operators Guide_89400-90038
..\Started Guide_89441-90076
..\Time and Frequency Domain_5962-9217E 
..\Time Capture_5091-8686E
..\Digital Modulation_5965-7160E
..\Design Digital RF Comm System_5091-8687E 
..\EVM Meas_5965-2898E
..\Phase Noise_5091-7193E
..\10 steps_Digital Demod_5966-0444E 
..\Data Sheet_5965-5425E
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内容
8.1 矢量信号分析仪的基本结构
8.2 矢量信号分析仪的工作原理
8.3 数字调制与解调
8.4 主要应用（模拟与数字调制解调等）
8.5 矢量信号分析仪的基本操作
第二次实验 矢量信号分析仪的使用
第八讲 矢量信号分析仪小结
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8.1矢量信号分析仪的基本结构
89441A矢量信号分析仪有两部分：
89410A（IF）：dc to 10MHz范围，内部信号源
（正弦、chirp、随机和32,768点的任意波形）；
89431A（RF）：dc to 2.65 GHz范围。另有内部RF
信号源（选件AY8--本机没有）。
Agilent公司的矢量信号分析仪把时域、频域
和调制域分析集于一体，为复杂的时变信号提
供最先进的测量。
复杂的时变信号包括突发信号、脉冲信号、瞬
变信号、跳频信号以及模拟和数字调制信号。
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灵活的矢量调制分析
由于无需外部滤波器、相干载波或者符号定时信
号，因而简化了射频和中频的测量。
可以分析各种已调制信号，包括：BPSK、QPSK、
OQPSK、DQPSK、pi/4DQPSK、8PSK、16-256QAM、
VSB、MSK、2至4电平FSK等非标准格式和NADC、
GSM、EDGE、DECT、CDMA等标准格式。
用可选的第二个10MHz输入信道（选件AY7），还可
以同时分析基带I和Q信号。
可以按各种方式和表格来显示测量结果。网格图、
星座图、矢量图和眼图是分析数字调制信号用的常
用工具。
通过产生一个理想基准信号与接收到的信号相比
较，可提供误差测量。测量结果包括误差矢量幅度
EVM、相位和幅值的误差。
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基本结构(89410A（IF）)
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基本结构
(续1)
1.软功能硬键
2.显示屏幕
3.电源开关
4.软盘驱动器
5.外键盘连接器
6.连接到DUT的信号源连
接器（有AY8）
7.外触发连接器
8.探头电源连接器
9.待测信号输入或DUT的
输出
10.显示功能硬键菜单组
11.系统功能硬键菜单组
12.测量功能硬键菜单组
13.REMOTE和LED显示
14.MARKAR硬键菜单组
15.手动调节MARKAR旋钮
键
16.MARKAR/Entry硬键
17.数字量等输入硬键
18.通道2输入连接器
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基本结构(续2)
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现有选件：
1BH（General Export License）；
AY7（Second 10MHz Input Channel）；
AY9（Extended Time Capture）；
AYA（Vector Modulation Analysis）；
AYB（Waterfall and Spectrogram）；
B73（Digital Wideband CDMA Analysis）；
B79（Digital ARIB 1.0-1.2 W-CDMA Analysis）；
UG7（Advanced LAN Support）；
UTH（20Mb Extended RAM and Additional I/O）。
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89400系列矢量
信号分析仪功能
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8.2矢量信号分析仪的工作原理
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89411A的IF（89410A）部分
Source、Optional RF source、Precision RF front-end。
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IF（89410A）的Source部分
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89431A（RF）：
dc to 2.65 GHz
范围。
另有内部RF信号
源（选件AY8--
本机没有）。
射频信号源选件
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精密的射频前端
89441A的射频前端将高达2.65GHz的射频信号
下变频为带宽7MHz的中频信号；
带宽为7MHz的中频信号经过滤波和数字化后，
进入高分辨率的A/D变换器；
后续的数字混频器和数字滤波器的带宽可以窄
到1Hz；
后面的高性能微处理器提供快速的频域、时
域、调制域分析和测量结果显示。
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射频和基带性能
射频性能：
灵敏度：-160dBm/Hz；
相位噪声：-124dBc/Hz（10KHz偏移）；
内部射频源：选件AY8 （本机没有）。
基带性能：
25.6 Msample/s的A/D采样速率；
FFT变换；
频域和时域的误差修正功能；
第二个10MHz基带输入信道：选件AY7。
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矢量信号分析仪的特点
传统信号分析仪只有信号幅度测量功能，可测量幅度
与频率的关系，可测量幅度与时间的关系。
矢量信号分析仪具有同时测量幅度和相位的功能，可
测量幅度和相位与频率的关系，可测量幅度和相位与
时间的关系。
待测信号波形经ADC后的数字化数据，从其中提取幅度
和相位的数字化信息数据，再存入Capture RAM中。
再由Measurement RAM和DSP进行测量和数据分析：模
拟调制信号的解调、数字调制信号的解调、网格图、
星座图、矢量图、眼图和误差矢量幅度EVM。
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8.3 数字调制与解调
目的：使传输的数字信号与信道特性相
匹配，便于有效的进行信息传输。
分类：
调制信号：模拟调制和数字调制；
相位连续：相位不连续调制和相位连续调
制；
信号恒定：恒包络调制和非恒包络调制。
调制方案的性能评估：功率效率和带宽
效率。
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移动通信中的调制解调技术
移动通信面临的无线信道问题：
多径，衰落，干扰(自然，人为，ISI)，频率资源有限。
移动通信对调制解调技术的要求：
频谱资源有限 高的带宽效率；
用户终端小 高的功率效率，抗非线性失真能力强；
邻道干扰 低的带外辐射；
多径信道传播 对多径衰落不敏感，抗衰落能力强；
干扰受限的信道，抗干扰能力强；
解调一般采用非相干方式，或插入导频的相干解调；
产业化问题 成本低，易于实现。
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数字调制方法的分类
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数字调制与解调
1。为什么要进行数字调制？
2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？
3。数字调制的不同类型
4。限制带宽的滤波器技术
5。观察数字调制信号的方法
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VSA支持的数字调制格式
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1。为什么要进行数字调制？
硬件的复杂程度与占有
频带宽度之间折衷。
工业发展的趋势
（QPSK、FSK、MAK、QAM
等）。
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？
基本的调制特性（AM、
FM、PM）。
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续1）
极坐标表示法，如下左图所示。不同的调制格式，如下右图所示。
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续2）
数字调制中，调制通常采用I和Q分量表示，如下图所示。
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续3）
I/Q数字调制中的发射机和接收机方框
图，如下图所示。
在I/Q数字调制中，数字调制的数据点对
应于I/Q平面上的不同的离散的点。这就
是星座图。
I/Q平面上的数据点从一点到另一点，对
应于不同的AM和PM调制。
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续4）
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续5）
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2。信息是如何调制到正交I和Q信号上？（续6）
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3。数字调制的不同类型
上表列出了按恒包络调制和非恒包络调制的分类；
下表列出了在无线通信和视频中，不同的数字调制类型的应用。
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3。数字调制的不同类型（续1）
位速率和符号速率：传输信号的带宽取决于符号速率。
符号时钟起到符号定时的作用。
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3。数字调制的不同类型（续2）
相移键控：BPSK和QPSK。
下图中QPSK的四个离散状态的相位分别是45度、135度、225度、
315度，每个相位的转变（00，01，10，11）提供了2bit的数据
频移键控：BFSK和MSK。
FSK和MSK产生等包络信号，这对于放大器的功率传输是很重要的。
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3。数字调制的不同类型（续3）
正交幅度调制：下图是16QAM和32QAM的星座图。目前应用的是
256QAM。256QAM系统使用8个I和8个Q数值。
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3。数字调制的不同类型（续4）
数字调制的变种：IQ偏移调制(OQPSK)；差分
调制(DQPSK)；等幅度调制(GMSK)。
第一种变种是Offset QPSK(OQPSK)，主要应用
在蜂窝 CDMA (Code Division Multiple 
Access)的反向链路中；
在QPSK中，IQ数据流是同步的，会产生180相
移，经滤波限带后所造成的包络起伏最大；
在OQPSK中，IQ数据流是偏移一位的（符号周
期的一半），只可能发生±90的变化，经滤波
限带后所造成的包络起伏小一些。
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3。数字调制的不同类型（续5）
第二种变种是差分调制，例如：DQPSK和D16QAM。
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3。数字调制的不同类型（6）
在等包络调制中，
载波幅度是不随调
制信号变化的。占
有较大的带宽，属
于功率有效型的调
制类型。
第三种变种是等包络调制，例如：0.3 GMSK（Gaussian 
Minimum Shift Keying）的GSM。
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4。限制带宽的滤波器技术
数据滤波器可以限制带宽和减小码间干扰。矢
量信号分析仪的所有滤波器都是按20个码元长
度来计算。
主要有：升余弦滤波器；平方根升余弦滤波
器；发射机和接收机的匹配滤波器；高斯滤波
器；数字滤波器等。
滤波器的形状和宽度是由alpha（对于升余弦
滤波器）或BT（对于高斯滤波器）来定义的。
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4。限制带宽的滤波器技术（续1）
如右图所示，这是
Nyquit滤波器或升
余弦滤波器对于输
入脉冲信号的时域
响应。
如右图所示，时域
响应在一个符号周
期内有振铃。
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4。限制带宽的滤波器技术（续2）
发射机中的匹配滤波器是为了减少邻道功率辐射；接
收机中的匹配滤波器是为了减少宽带噪声。
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4。限制带宽的滤波器技术（续3）
高斯滤波器：没有滤波器相当于alpha为无穷大。
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4。限制带宽的滤波器技术（续4）
滤波器的带宽效应（以QPSK为例）：没有滤波器相当于alpha为
无穷大。滤波器的alpha为0.75和0.375时，可以平滑发射的波形
并减小所需要的带宽。
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5。观察数字调制信号的方法
利用时域图。
利用频域图。
利用星座图。
利用眼图。
利用相位网格图。
误差矢量 EVM
（Error Vector 
Magnitude）测
量。
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5。观察数字调制信号的方法（续1）
利用星座图：
用极坐标描述矢量
调制信号的幅度和
相位（相对于载
波）随时间或码元
的变化，码元时钟
时刻的相位值表示
为一个点。
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5。观察数字调制信号的方法（续2）
利用眼图：
眼图张开部分的宽度决定
了可以抽样的时间间隔；
眼图张开部分的高度决定
了系统的噪声容限；
眼图的闭合斜率决定了系
统对抽样定时误差的敏感
程度，斜率愈大则对定时
误差愈敏感；
当码间串扰十分严重时，
眼图会完全闭合起来，系
统将无法正常工作。
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5。观察数字调制信号的方法（续3）
利用相位网格图：
在每个信息比特间隔内，载波相
位随时间变化的规律可用相位网
格图表示；
对于MSK信号，载波相位变化
+π/2或-π/2，取决于二进制信
息1或0；
MSK信号由于相位是连续变化
的，因而频谱衰减速度较快，近
似与f4成反比，但是相位路径在
符号转换时刻将会产生拐点；
在GMSK中，基带信号首先成形为
高斯脉冲，然后再进行MSK调
制。由于成形后的高斯脉冲无陡
峭沿，亦无拐点，因此相位路径
得以进一步平滑。
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5。观察数字调制信号的方法（续4）
误差矢量 EVM（Error
Vector Magnitude）测
量对于数字调制信号有
极强的洞察力。
从EVM和相关的测量可以
察觉数字调制信号极微
小的变化，而且可以识
别产生这种微小变化的
原因。
EVM的定义如右图所示。
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8.4 主要应用
在模拟调制与解调中的应用
在数字调制与解调中的应用
时域及时间选择的频谱分析
在CDMA功率测量中的应用
EVM测量
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1。在模拟调制与解调中的应用
模拟调制信号的调制
与解调
信号源文件AMSIG.DAT 
（5MHz载波的25KHz正
弦调制信号的AM已调
制信号）。
观察AM已调制信号的
频谱。
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1。在模拟调制与解调中的应用（续1）
观察AM解调信号的频谱。观察AM解调信号的时域信息。
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1。在模拟调制与解调中的应用（续2）
模拟调制信号的调制
与解调
信号源文件PMSIG.DAT 
（5MHz载波的25KHz三
角波调制信号的PM已
调制信号）。
观察PM已调制信号的
频谱。
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1。在模拟调制与解调中的应用（续3）
观察PM解调信号的频谱。观察PM解调信号的时域信息。
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2。在数字调制与解调中的应用
数字调制信号的调制与解调
标准格式（NADC）信号源文件PI4DQPSK.DAT。
观察NADC已调制信号的频谱。
标准格式有：NADC、GSM、EDGE、DECT、CDMA BASE、CDMA MOBILE、PDC、PHS
（PHP）、CPLD、TETRA、APCD 25、W-CDMA 5MHz、BLUETOOTH。
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2。在数字调制与解调中的应用（续1）
解调标准格式（NADC）信号。
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2。在数字调制与解调中的应用（续2）
选择具有特点的测量和显示：
MEAS DATA：
IQ measured（time or spectrum）；
IQ reference（time or spectrum）；
IQ error（mag or phase）；
error vector（time or spectrum）；
symbol table/error summary。
DATA FORMAT：
magnitude（log(dB) or linear）；
magnitude（log(dB) or linear）；
phase（wrap or unwrap）；
part（real(I) or imaginary(Q)）；
group delay；
polar（IQ）（vector or constellation）；
eye diagram（I or Q or treellis）。
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2。在数字调制与解调中的应用（续3）
解调标准格式（NADC）信号，以不同的形式显示。
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2。在数字调制与解调中的应用（续4）
解调和分析MSK信号：选取文件MSK.DAT。
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2。在数字调制与解调中的应用（续5）
解调非标准格式信号：选取文件16QAM.DAT。
非标准格式有：QPSK（normal offset）、DQPSK（normal pi/4）、BPSK 
8PSK、QAM（16 32）、MSK（type1 type2）、FSK（2 4 8 16）。
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3。时域及时间选择的频谱分析
进行瞬态信号的频谱分析：
信号源文件XMITR.DAT：如下左图所示；
设置时间闸门长度，沿时间轴移动时间闸门，逐段覆盖瞬态信
号，观察频谱峰值的移动：如下右图所示。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期60
3。时域及时间选择的频谱分析
进行瞬态信号的频谱分析：
信号源文件XMITR.DAT：如下图所示；
设置时间闸门长度，沿时间轴移动时间闸门，逐段覆盖瞬态信
号，观察频谱峰值的移动：如图所示。
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瞬态信号的时间闸门频谱分析
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3。时域及时间选择的频谱分析（续1）
利用时间选取进行瞬态信号的频谱分析
信号源文件BURST.DAT：设置时间闸门检查第一个突发
脉冲和第二个突发脉冲。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期63
3。时域及时间选择的频谱分析（续2）
设置时间闸门，跟
踪突发脉冲
信号源文件
PMBURST.DAT（A 5 
MHz burst carrier, 
phase-modulated 
with a 25 kHz 
signal）；
如下图所示，移动
时间闸门到时间显
示关断的位置，测
量通/断比。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期64
3。时域及时间选择的频谱分析（续3）
如右图所
示，
A Offset就
是通/断
比，反映了
载波泄漏的
性能。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期65
4。在CDMA功率测量中的应用
CDMA（Code Division Multiple Access）是
利用码分和跳频技术，产生的是类似于噪声的
数字调制信号。
在W-CDMA中，关键的测量是信道内的功率谱和
邻道功率谱。
另一感兴趣的是CDMA的系统设计：数字调制分
析、滤波器的频率响应、放大器的交调和增益
压缩和振荡器的相位噪声特性。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期66
数字调制信号的功率测量
因为数字调制信号的类似噪声特性，所以它的峰值幅
度是完全不可预知的。
精确地测量数字信号的功率要比测量大多数模拟信号
的输出功率困难得多。
数字调制信号，因为它们所有的功率在整个频带中传
播，而不像模拟调制信号只在载波的边带中传播，以
及具有不重复性、随机性，所以没有可预知的、重复
出现的功率点测量。
为了更精确地测量数字调制信号的功率，通常是采用
-30dB的下降点表示信号的带宽，而不是模拟调制信号
中的-3dB，低于-30dB下降点的功率可以忽略。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期67
带限功率谱测量
带限功率谱测量：设置中心频率和频率范围。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期68
平均功率测量
测量1.23MHz带宽内的CDMA信号的平均功率。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期69
CCDF功率测量
参考：RF_TestOfWLAN_china.pdf：P35 
CCDF（Complementary Cumulative Density 
Function）互补累积分布函数：
由于数字调制信号的类似噪声特性，需要进行数字
信号的CCDF功率测量。
CCDF是1减去CDF（累积分布函数，更常用）。它的
横轴表示超出平均功率多少dB，纵轴表示百分比。
下图中光标表示，对于该被测脉冲来说信号功率超
过平均功率7.2dB出现的时间是0.09%。
通常来说，CCDF的测量是对多个脉冲进行的，以增
加出现概率比较小的信号的可信度。格子线代表的
是高斯噪声的统计特性。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期70
CCDF功率测量举例
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期71
5。EVM测量
误差矢量EVM
EVM测量对于数字调制信
号有极强的洞察力。
EVM和相关的测量可以察
觉数字调制信号极微小
的变化，而且可以识别
产生这种微小变化的原
因。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期72
5。EVM测量（续1）
EVM测量是衡量通信系统性能的有效和定量的手段。
EVM测量是连续不断地把输入的数据流与理想的参考信
号进行幅度和相位的比较。
EVM就是在所利用的调制格式下，实际的码元I、Q位置
与理想的码元I、Q位置的差别。
利用EVM测量可以评价整个通信系统的性能，也可以了
解个别元件（例如：滤波器、功放等）的作用。
EVM测量中是基于DSP重建所利用的调制格式下理想的参
考信号的，这是因为载波和码元同步是自动产生的。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期73
5。EVM测量（续2）
进行EVM测量的方框原理图：可分三步。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期74
5。EVM测量（续3）
进行EVM测量的三步：
（1）精确地解调：解调信号格式从BPSK到
256QAM；码元速率从数百Hz到几MHz。
（2）重建参考信号：产生理想的解调参考信
号，这可由DSP计算得到无噪声的、高精度的
解调参考信号。
（3）综合比较：比较实际解调信号和解调参考
信号，可得到EVM的数值。
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期75
5。EVM测量（续4）
EVM测量的举例
（8PSK）：
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期76
5。EVM测量（续5）
EVM测量的举例（8PSK）：
EVM表示为名义上的理想矢量幅度的百分数：RMS、
peak和95th。
RMS_EVM是统计平均有效值；Peak_EVM是峰值；95th
percentile是采样样本小于95%时的统计平均值。所以
95th percentile是大于RMS值，小于Peak值。
Origin offset suppression是测量解调的I/Q信号在
星座图上的直流偏移（原点偏移）。
Frequency offset是相位轨迹的平均（近似微分）就
得到近似的频率误差。
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5。EVM测量（续6）
EVM测量的度量：
（1）EVM：表示为名义上的理想矢量幅度的百分数。
（2）Mag Error：即 IQ error mag。
（3）Phase Error：即 IQ error phase。
（4）Freq Error：即相位轨迹的平均。
（5）IQ Offset： I/Q信号在星座图上的原点偏移。
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测量一：相位相对于幅度的误差
通常情况下，相位误差与
幅度误差是近似相等的。
假如平均相位误差（以度
表示）远大于（五倍以上
时）平均幅度误差（以峰
值的百分比表示），这表
示未知的相位调制成为支
配的误差模式；
假如平均幅度误差远大于
平均相位误差，则有明显
的剩余幅度调制。
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测量二：IQ误差相位相对于时间的关系
假如平均相位误差（以度表示）远大于（五倍以上
时）平均幅度误差（以峰值的百分比表示），这表
示未知的相位调制成为支配的误差模式，需要进行
第二步测量；
进行第二步测量，以决定是由参考OSC、PLL或是由
其它的OSC产生噪声、谐波或交叉耦合；
相位误差是测量信号与参考信号之间的瞬时相位角
度差，假若相位误差是时间（或码元）的函数，则
调制信号包含有残留的或干扰的调相信号；
由IQ误差相位相对于时间的关系，可以分辩出相位
误差为随机噪声或残留的AM/PM。
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8.5 矢量信号分析仪的基本操作
参考：\89441A_矢量信号分析仪\Complex 
Meas_5965-8554E
参考：\89441A_矢量信号分析仪\Operators 
Guide_89400-90038
参考：\89441A_矢量信号分析仪\Signal Disk
无须外接信号，利用内部信号源，利用测试程序库
的程序产生的信号源，即可学习如何进行各种测
量。
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8.5 矢量信号分析仪的基本操作（续1）
测试程序库：《测试程序库_89400-19406》应
用程序
应用程序运行、展开成20个文件：16QAM，
32DVBQAM，32QAM，8VSB.CAP，AMSIG，
BURST，CAPT，EQSIGNAL，GAUSS1.ASC，
GAUSS1，MEAS_PI4，MSK，PI4DQPSK，
PMBURST，PMSIG，REVID，STAT_DEF，
STATES，SYNC_KEY，XMITR。
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双通道测量
设置4.5MHz带通滤波器的频
率响应测量：
直接连接SOURCE到通道1
的输入；
滤波器的输出接到通道2
的输入。
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传输函数测量
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第二次实验 矢量信号分析仪的使用
利用测试程序库的程序即可学习如何进行各种时域、
频域和调制域测量（SOURCE直接连接到CHANNEL 1，
RECEIVER设定为IF（RF）section（0-10 MHz））。
利用E4436B_RF信号发生器产生各种模拟和数字调制信
号来学习如何进行各种解调测量（SOURCE连接到RF部
分的IN，RF部分的OUT连接到CHANNEL 1，E4436B的输
出连接到RF部分的INPUT，RECEIVER设定为RF section 
（0-2650 MHz））。
利用E4436B_RF信号发生器产生GSM数字调制信号来学
习如何进行各种标准数字调制的解调测量。
参考：Agilent仪器说明书\E4436B_RF信号发生器\Quick 
Start Guide_E4400-90326.pdf
参考：RF_TestOfWLAN_china.pdf
射频电路测试原理 清华大学电子工程系 李国林 雷有华 2005春季学期85
第八讲矢量信号分析仪小结
Agilent公司的矢量信号分析仪把时域、频域和调制域分
析集于一体，为复杂和随时间变化的信号提供最先进的
测量。
分析突发信号、脉冲信号、开关信号、瞬变信号或已调
信号的同时，可以观察时间、频率、相位和幅度。
用可选的第二个10MHz输入信道（选件AY7），还可以同
时分析基带I和Q信号。包括：BPSK、QPSK、OQPSK、
DQPSK、pi/4DQPSK、8PSK、16-256QAM、VSB、MSK和2至4
电平FSK在内的各种各样调制方式。
可以按各种方式和表格来显示测量结果。网格图、星座
图、矢量图和眼图是分析矢量调制信号用的常用工具。
通过产生一个理想基准信号与接收到的信号相比较，可
提供误差测量。测量结果包括误差矢量幅度EVM、相位和
幅值的误差。