数字调制系列：IQ调制及解调简述

数字调制系列：IQ调制及解调简述前面在文章“数字调制系列：如何理解IQ？”和“数字调制系列：IQ基本理论”中介绍了IQ的概念、常用数字调制方式及映射星座图等内容，当完成数字比特流到IQ坐标系的映射后，便可以得到数字I和Q信号，然后分别经过DAC变换为模拟I和Q信号，最后经过IQ调制器完成上变频，图1给出了数字调制的简要架构示意图。作为整个数字调制发射系统的关键部件，IQ调制器完成了基带信号的频谱搬移，从而达到空口传输的条件。什么是IQ调制器？IQ调制器如何工作？接收侧如何解调出IQ信号？本文将给出具体介绍。图1.数字调制发射系统架构示意图1.什么是IQ调制器？图2给出了IQ调制器的简要架构示意图，通常包含四个端口：模拟I输入端口，模拟Q输入端口，LO(本振)端口以及射频输出端口。有的IQ调制器还支持差分模拟I/Q输入，因此具有更多的端口。IQ调制器包括两个对称的支路，每个支路包含一个Mixer(上变频)；两个Mixer的LO同源，但是要求正交，即存在90°相位差。图2.IQ调制器架构示意图IQ调制器具有三个比较关键的性能指标：(1)整个带宽内的频率响应；(2)两个支路间的幅频响应对称性(IQ增益平衡)；(3)两路LO信号的正交性。这些指标的优劣将直接影响信号调制质量的好坏。IQ调制器的频率响应包括幅频响应和相频响应，对于理想的线性时不变系统(LTI)，幅频响应是平坦的，相频响应是线性的，信号可以无失真的传输。因此，频响性能越好，调制质量越高，从系统的角度讲，BER越低。为什么要强调IQ调制器两个支路间的幅频对称性呢？如果两个支路的频率响应不同，就会造成IQ不平衡传输，当产生中心频率与IQ调制器LO频率不同的信号时，镜频分量抑制效果会变差。因此，需要控制IQ调制器支路间的幅频特性差异。类似地，两个Mixer的LO正交性也将会影响镜频抑制能力。如果完全正交，则不会对镜频抑制能力有影响。当偏离正交时，镜频分量会增强。如果模拟IQ调制器的特性不是很理想，势必会影响信号的调制质量。但是，可以通过源端预失真来补偿，从而改善信号质量，比如矢量信号源中允许调整I/QImbalance及I/QQuadrature参数等。2.发射端调制器是如何实现IQ调制的？接收端解调器又是如何实现IQ解调的？此处信号的调制与解调，仅限于模拟IQ信号到RF，再从RF信号解调出模拟IQ信号。通过下面的介绍，除了调制与解调的过程，您还将会了解为什么基带I和Q信号的带宽经过IQ调制器后会翻倍。为了便于理解，首先介绍一下信号的单边带频谱与双边带频谱。这两种频谱都可以准确描述信号的频谱，但是出发点不同，应用场景也不同。

任何一个周期信号，只要满足狄里赫利条件，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，比如{cos(nΩt)；sin(nΩt)，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，因此周期信号也可以写为虚指数函数的无穷级数。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。对于调制应用而言，涉及到频谱的搬移，因此采用双边带频谱更加方便。下文所涉及的频谱，均指双边带频谱。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。图2所示的IQ调制器，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(ωct)相乘，q(t)与sin(ωct)相乘，最后合为一路输出。假设I(ω)和Q(ω)分别为i(t)和q(t)的傅里叶变换，而三角函数的傅里叶变换为根据频域卷积定理可得：由此可见，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ωc。傅里叶变换的产物中还包含(-ωc)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。以上数学推导也可以由图解完成，图3给出了正、余弦函数的傅里叶变换示意图，模拟IQ信号经过调制器后，频谱变换示意图如图4所示。图3.正、余弦三角函数的傅里叶变换图4.IQ调制频谱变换示意图因采用双边带频谱描述信号，i(t)和q(t)实际带宽为双边带频谱带宽的一半，由上述推导可知，当经过IQ调制器上变频之后，整个双边带频谱搬移至射频，故输出的信号s(t)的带宽相对于基带模拟IQ信号的带宽翻倍了。在接收侧，射频调制信号可经过模拟IQ解调器解调，经过低通滤波器之后分别得到模拟I和Q信号。数学推导与IQ调制类似，此处不再赘述。图5给出了IQ解调器的整个图解过程，非常清晰地表明了如何由射频信号得到模拟IQ信号。图5.IQ解调频谱变换示意图3.IQ调制与解调的实现方法有哪些？前面介绍调制及解调过程时，默认是按照模拟IQ调制/解调器介绍的。现实中绝大多数数字调制发射系统均是采用了模拟IQ调制器，从测试设备的角度讲，矢量信号源也是采用了模拟IQ调制器的架构。尽管如此，IQ调制功能也是可以通过数字的方式实现的，称为数字IQ调制器，在数字侧完成符号映射及IQ调制，从而得到具有载波的波形，最后经过DAC直接播放出来。任意波信号发生器(AWG)产生数字调制信号就是采用这种方式，但是DAC的时钟频率决定了能够输出的最高信号频率。类似地，模拟IQ解调器的功能也可以由数字方式实现，称为数字下变频。而且相对于模拟解调器而言，数字下变频应用更加广泛。其基本思路为：射频信号经过下变频至IF频段，然后经过ADC直接离散化，对离散的数据作数字下变频便可以得到数字IQ信号，最后对IQ数据进一步分析。现在的矢量信号分析仪基本都是采用这个架构，有的矢量信号分析采用示波器及分析软件的方案，也是应用了数字下变频技术，如图6所示，示波器的最大优势就是支持更高带宽信号的分析，这是矢量信号分析仪所远远不及的。图6.矢量信号分析架构示意图小结之前