如何用星座圖偵錯數位通訊系統

人類天生就是視覺與聽覺的動物, 而抽象思考能力是比較晚才發展起來的, 因此不同工程的偵錯技巧都類似, 最好使用視覺或聽覺來輔助, 才能做最有效率的偵錯。上次講「在 SoC debug 的藝術」時筆者並沒有提到這個非常重要的偵錯技巧: 視覺化! 通訊系統偵錯如果用視覺化來輔助, 可以大幅提升工作效率, 我們今天就來談談通訊系統視覺化偵錯技巧。¹

首先來看什麼是星座圖。天文學上的星座圖是一組一組的星星合起來看的, 在通訊系統裡面, 星座圖就是在頻域上看解調出來的 symbol 值, 繪製在一個平面上, 將所有出現的 symbol 值同時繪製在上面的時候, 看起來就像是天文學上的星座圖, 所以就有了這個名字。不過我們並沒有把一個點稱之為星星。:-)

為什麼我們能夠把真實傳輸的訊號看作是星座圖上的一點？這牽涉到 signal space 的證明, 在這裡我們就不詳細證明了, 有興趣的可以翻閱數位通訊系統的書, 有兩本數位通訊對於 signal space 有比較詳細的證明。²

筆者打從一開始從事通訊產業就開始使用星座圖來偵錯通訊系統, 深深的為這樣的偵錯技巧著迷, 最近看到一本書³有詳盡的介紹這個偵錯技巧, 接下來我們就來看在星座圖上能夠看到通訊系統什麼樣的問題。全部的圖例都是以 16 QAM 為例子。

Carrier Recovery Loop Phase Offset

From Constellations

上圖可以看到 16 QAM 的星座點以原點為圓心, 逆時針旋轉了 8 度, 是由於 carrier recovery loop 裡面殘留的相位差所致。

Carrier Recovery Loop Unlocked

From Constellations

上圖可以看到 16 QAM 的星座點隨著時間旋轉, 這是由於 carrier recovery loop 完全沒有鎖到對方發射器的相位。通常脫鎖的話, 旋轉方向是一樣的, 也就是說你的鎖相迴路頻率比對方發射機快或是慢, 如果是一下往順時針, 然後很快就往逆時針(或是相反情況), 而且一去不回頭, 那也是脫鎖, 這有可能是一開始雙方頻率差異過大, 超過鎖相迴路能夠處理的頻寬。

Poor Phase Noise

From Constellations

上圖可以看到星座點以原點為圓心, 以正負平均 3 度的差異旋轉, 這是由於鎖相迴路的相位雜訊過大而來。正負平均(rms) 三度就可以在星座點造成這樣明顯的軌跡了。

Coherent Carrier Interference(同步載波干擾)

From Constellations

上圖是 16 QAM 的星座點受到跟接收機同步的另一個載波干擾所產生的, 受到干擾的點圍繞著理想的星座點旋轉。同步載波干擾會導致錯誤率的增加, 因為相鄰兩個星座點的距離被縮小了。

Multipath

From Constellations

上圖可以看到在多重路徑干擾下的 16 QAM 星座點。多重路徑干擾是由於對方發射機的訊號被衰減並延遲, 而接收機收到兩組或兩組以上的訊號所致。解調器會收到並且鎖住比較大的訊號, 但是在星座點上會顯示另一組衰減的星座點。在每一個理想的星座點上都可以看到完整的縮小版 16 QAM 星座點, 由於延遲的關係旋轉某一個角度。上圖的多重路徑訊號是原來訊號傳輸功率的十分之一。

IQ Phase Imbalance(IQ 相位不平衡)

From Constellations

IQ 相位不平衡(IQ Phase Imbalance) 是由於調變器或解調器的功能出問題, 當訊號區分 I 跟 Q 頻道的時候, 兩組線路的相位差異不是正好 90 度。上圖的 IQ 頻道相位差為 10 度。

IQ Amplitude Imbalance(IQ 振幅不平衡)

From Constellations

IQ 振幅不平衡(IQ Amplitude Imbalance) 也是調變器或解調器線路問題, 當訊號區分 I 與 Q 頻道後, 兩者的增益不一樣, 就會導致 IQ 振幅不平衡。

Gain Compression(增益壓縮)

From Constellations

外圈星座點相對於內圈有比較高的瞬時功率, 如果系統上有增益壓縮的問題, 外圈的星座點會被拉往內圈, 而內圈的星座點會被稍稍從理想星座點位置拉離圓心。

這個問題也會導致解調的錯誤率增加, 因為星座點之間的距離縮短了。

Improper Amounts of Gain

From Constellations

上圖所顯示的是增益太大, 使得 16 QAM 星座點往外長。

From Constellations

上圖所顯示的是增益太小, 使得 16 QAM 星座點往內縮。

Amplitude Variation beyond Automatic Gain Control Bandwidth

From Constellations

上圖可以看出來, 每一個星座點都有振幅變化, 這是由於接收機的自動增益控制趕不上訊號的振幅變化, 無法將振幅變化消除。上圖的星座點都是沿著圓心作直線變化, 表示接收機的鎖相迴路鎖得很精準。

結語

今天介紹了如何用視覺化的方式, 透過對星座點的觀察, 偵錯數位通訊系統, 這是筆者一直以來覺得非常有效率與威力的偵錯方式。在這篇文章中介紹了通訊系統會在星座點出現的現象, 但平面的文章沒辦法表現的是人類對於視覺的快速反應, 在面對 symbol rate 很快的系統, 仍然能夠很快速的反應, 讓我們很容易能夠抓出也許只有一兩個 symbol 的瞬間錯誤。在很多數位通訊儀器上面, 也都內建這種偵錯的方式, 可以好好利用。

Footnotes:

¹ 除了視覺化偵錯之外, 如果許可的話也可以利用聽覺, 比如說在偵錯語音頻帶數據機、業餘無線電數據機的時候, 因為頻寬在聲音頻寬內（小於 20 kHz）, 所以很適合用聲音來偵錯。這樣你就知道為什麼以前的電話撥接數據機在剛開始連線的時候會開啟喇叭讓你聽到一連串的高低音了吧。

² Wozencraft, John M., and Jacobs, Irwin Mark, "Principles of Communication Engineering," John Wiley & Sons, 1965.

Gallager, Robert G., "Principles of Digital Communication," Cambridge University Press, 2008. 可以由 http://goo.gl/glkdQ 下載。

³ McClaning, Kevin, "Wireless Receiver Design for Digital Communications, " 2/ed, SciTech Publishing Inc., 2012.

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