数字调制:为什么要做IQ调制解调

作者:范龙飞 来源:MYMINIEYE

1、为什么需要调制?

调制就是把要传递的信号“搬运”到规定的频率附近,从技术上说,天线的尺寸和电磁波的波长差不多的时候,才能获得较高的发射效率,假设信号是10MHz,那么波长为30m,这么长的天线显然是不现实的。因此需要把信号调制到较高的频率,减少天线的尺寸,从频谱方面上说,频谱是一个国家的资源,有专门的机构进行管理,想用哪一段频谱需要向管理部门申请。基于以上原因,都需要把信号调制到特定的载波频率上去。

调制也即是频谱搬移的过程,如下所示:

假定s(t)是一个余弦信号:

调制就是乘上一个角频率wc=2*pi*fc的余弦信号,得到要发射的射频信号为:

例如s(t)为10KHz,载波为10MHz,则调制后的信号频率成分为9.99MHz和10.01MHz。

2.IQ概述

(1)什么是IQ调制

简单的讲,数字IQ调制的过程就是将原始比特流数据按照一定的规则映射到IQ坐标系的过程,IQ坐标系本质上就是复数坐标系,映射完成后将得到I和Q两路信号,然后相加得到要发射的射频信号,如下所示:

(2)为什么要引入IQ

•IQ调制可以通过提高符号速率或者采用高阶调制实现更高的数据速率,例如16QAM,64QAM,256QAM等,非常灵活方便。

•IQ调制具有更高的频谱利用率。IQ调制采用零中频架构,每一路上变频之后带宽翻倍至2B,但是携带的信息不变。合路后,射频调制信号带宽仍然为2B,但是相对于单路调制而言,携带的信息量翻倍了。因此,IQ调制具有更高的频率利用率!

• 在实现高速通信时,IQ调制更加容易实现。IQ调制可以非常方便地将符号映射到矢量坐标系中,从而完成数字调制,省掉了希尔变换这样一个环节,虽然带宽仍然和双边带信号相同,但是传递的信息也增加了一倍。

(3)IQ基本理论

IQ调制是一种新颖的数字调制方式,有调幅(振幅键控ASK),调相(相移键控PSK),调频(频移键控FSK),三种基本形式和既有幅度又有相位的QAM调制(正交幅度调制)。

这几种调制解调方式的相关内容将在后续的系列文章中具体介绍。

3.IQ调制解调

任何一个周期信号,只要满足狄利赫里条件,均可以写为一组完备正交集函数的无穷级数,通常完备的正交集函数为三角函数,例如{cos(nwt),sin(nwt),n为任意非负整数}。

根据欧拉公式

三角函数与虚指数函数存在一定的关系,如果按照三角函数级数展开,则对应的频谱为单边带频谱,如果按照虚指数函数级数展开,则对应的频谱是关于零频左右对称的频谱,此时称为双边带频谱。由于运算更加方便,双边带频谱应用更加广泛。

对于调制,涉及到频谱的搬移,因此采用双边带频谱更加方便,双边带频谱包括负频率成分,没有具体物理意义,但是从数学角度讲,这些又是构成傅里叶变换的必不可少的组成部分。

IQ调制属于双边谱,在上变频的过程中,两个Mixer实际上起到乘法器的作用,即i(t) 与cos(wct )相乘,q(t) 与sin(wct) 相乘,最后合为一路输出,假设I(w) 和Q(w) 分别为i(t) 和q(t) 的傅里叶变换,根据频域卷积定理可得

i(t)和q(t)经过混频器后,从傅里叶的角度看,其双边带频谱发生了搬移,中心频率由DC 搬移至wc。傅里叶变换的产物中还包含(-wc)频率成分,如前所述,负频率不具有实际物理意义,但是作为傅里叶变换的重要组成部分,构成了整个变换的数学完整性。

虚数j的存在表明,两部分信号之间的载波存在90°相差,二者保持正交。

IQ信号经过调制器后,频谱变换如下:

在接收侧,射频调制信号可经过IQ解调器解调,经过低通滤波器之后分别得到I 和Q 信号。IQ信号的解调过程如下:

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