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[分享] 数字调制系列:IQ调制基本理论

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发表于 2019-3-19 13:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
数字IQ调制凭借高数据速率以及易于实现等优势,广泛应用于无线通信系统。与传统的模拟调制不同,数字调制采用了新颖的IQ调制架构,以0、1比特流为调制信号。简单地讲,数字调制的过程就是将原始数据比特流按照一定的规则映射至IQ坐标系的过程。映射完成后将得到数字I和Q信号,再分别由DAC转换为模拟I和Q信号,最后经IQ调制器上变频至射频频段。
起初接触数字调制的时候,不知道如何理解IQ信号,疑惑比较多。经过长时间的实践和思考,略有心得体会,整理下来供大家参考。由于涉及的内容较多,本文主要介绍数字IQ调制的基本理论。
什么是IQ ?回答这个问题不得不提图1所示的矢量坐标系,横轴为实部,纵轴为虚部。数字IQ调制完成了符号到矢量坐标系的映射,映射点一般称为星座点,具有实部和虚部。从矢量角度讲,实部与虚部是正交的关系,通常称实部为In-phase分量,则虚部为Quadrature分量。这就是IQ的由来,该矢量坐标系也可以称为IQ坐标系。
在IQ坐标系中,任何一点都确定了一个矢量,可以写为(I + jQ)的形式,数字调制完成后便可以得到相应的I 和 Q 波形,因此数字调制又称为矢量调制。
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图1. IQ矢量坐标系
无论是模拟调制,还是数字调制,都是采用调制信号去控制载波信号的三要素:幅度、频率和相位,分别称为调幅、调频和调相。模拟调制称为AM、FM和PM,而数字调制称为ASK、FSK和PSK。数字调制中还有一种调制方式同时包含幅度和相位调制,称为QAM调制(正交幅度调制)。下面将逐一进行介绍。
1. ASK(Amplitude Shift Keying)称为幅移键控,通常指二进制幅移键控2ASK,只对载波作幅度调制,因此符号映射至IQ坐标系后只有 I 分量,而且只有两个状态——幅度A1和A2,如图2所示。一个bit就可以表征两个状态,“0”对应A1,“1”对应A2。即一个状态只包含1 bit信息,故符号速率与比特率相同。类似于模拟AM调制,ASK也具有调制深度的概念,调制深度定义为
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图2. 2ASK调制映射星座图
当2ASK的调制深度为100%时,只有比特“1”有信号,比特“0”没有信号,所以称为On-Off Keying,简称为OOK调制。OOK是一种特殊的ASK调制,调制后的波形为射频脉冲信号。
图3给出了当调制源为 "1001110001101"时,OOK调制之后产生的波形。其中上半图为采用Rectangular filter对应的波形,脉冲波形很完美;下半图为采用Raised Cosine filter时的波形,由于该滤波器具有陡峭的滚降特性,抑制了脉冲信号的高频边带,所以脉冲波形的边沿变得很缓。因此,如果采用OOK方式产生射频脉冲串,一定要采用Rectangular filter。
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图3. OOK调制生成射频脉冲信号(pattern "1001110001101")
2. FSK(Frequency Shift Keying)称为频移键控,常见的FSK包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK等。FSK一般不提及星座图,而是将符号映射至频率轴,图4以2FSK和4FSK为例,给出了经典的符号映射关系,纵轴为基带信号频率相对于FSK Peak Deviation的归一化值。
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图4. 2FSK和4FSK符号映射方式
FSK是如何实现的呢?以4FSK为例,具有{-1,-1/3, 1/3, 1}四个归一化频率状态,假设FSKPeak Dev.为3MHz,则四个基带频率分别为{-3MHz, -1MHz, 1MHz, 3MHz }。选择调制源为pattern '00011011',并设置符号速率为1M Sym./s,则在四个频点上都将分别持续1us,即每个符号周期内对应的都是一个CW信号。
虽然FSK并不是将符号直接映射至IQ坐标系中,但是FSK调制依然具有 I 分量和Q 分量。因为任何一个频率不为0的基带信号,在IQ坐标系上的矢量轨迹都是一个圆,这意味着在不同时刻,该信号的 I 分量和Q分量也是变化的。
假设基带信号频率为ω1,则用虚指数形式可以表示为ejω1t,因此在IQ坐标系上,随着时间变化的矢量轨迹为一个圆。根据欧拉公式可得
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图5. 频率非0时的基带信号矢量轨迹
图6给出了上述例子中4FSK调制的 I 和 Q 波形,因为符号周期为1us,所以对于f1和f4,一个符号周期内包含三个周期波形。类似地,对于f2和f3,包含一个周期波形。从IQ坐标系的角度看,FSK调制的过程就是沿着轨迹圆作圆周运动的过程,只是基带频率越高,运动速度越快。圆周运动过程中,改变的是载波的相位,因此也可以理解为FSK是通过调相间接实现的。
如果符号速率较高,则符号周期较短,FSK调制过程中很有可能出现一个符号周期只包含部分波形的情况,如图7所示,除了+/-3MHz两个频点是一个完整的周期,+/-1MHz两个频点只有部分波形。
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图6. 4FSK调制的IQ波形(1M Sym./s,3MHz deviation)
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图7. 4FSK调制的IQ波形(3M Sym./s,3MHz deviation)
3. PSK(Phase Shift Keying)称为相移键控,是非常主流的数字调制方式,常用的PSK调制方式包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK等。PSK调制是将符号直接映射到IQ坐标系上的,图8给出了几组常用的映射方式。
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图8. 常见的BPSK/QPSK/8PSK映射方式
下面以QPSK为例,介绍符号映射的过程,其它PSK调制过程与此类似。假设比特流为“00 01 11 10 01 00 11 10 00 11”共10个符号,按照图8的映射方式,可以得到图9所示的IQ基带波形及其矢量轨迹图。
图中数字1~9表示符号点的跳变轨迹,比如跳频路径1是指从符号(00)跳变至(01)的矢量轨迹,跳频路径2是从符号(01)跳变至(11)的矢量轨迹。其中跳频路径4、6和9会出现 I 和 Q 同时为0的情况,意味着这一瞬间将没有信号输出。这将导致输出的射频信号具有较高峰均比PAR,如果要求发射平均功率达到某一水平,高PAR对应的峰值功率将更高,对功率放大器的设计提出了挑战。
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图9. QPSK调制得到的基带IQ波形以及矢量轨迹图
为了规避这种过零点“行为”,通过将Q路信号延迟半个符号周期,此时 I 和 Q 不会同时为0,符号跳变时也就绕开了原点,如下图所示。这种QPSK调制一般称为OffsetQPSK,简称为OQPSK;有的文献称为staggeredQPSK,简称为SQPSK。
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图10. OQPSK调制得到的基带IQ波形以及矢量轨迹图
4. QAM(Quadrature Amplitude Modulation)称为正交幅度调制,属于高阶数字调制,一个符号携带多个bit信息,比如16/32/64/128/256/512/1024QAM等,因此在移动通信中较为常用。前面介绍的PSK调制并不会改变载波的振幅,只是改变其相位,而QAM调制相当于调幅和调相结合的调制方式,不仅会改变载波振幅,还会改变其相位。
图11以16QAM调制为例,给出了常用的映射星座图,具有16个星座点,因此一个符号携带4 bits信息。16QAM调制的I 和 Q 路信号为4电平信号,作为示例,图12给出了pattern为“01000101 0011 1100 0000 0010 1001 1100”对应的16QAM调制的基带IQ信号波形。
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图11. 常用的16QAM映射星座图

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图12. 16QAM调制的IQ基带波形(“01000101001111000000001010011100”)
IQ坐标系上映射星座点的 I 和 Q 决定了载波信号的振幅,而不是包络。为了便于证明,下面使用IQ调制的方式产生一个与载波同频的CW信号,对应的 I 和 Q 分量为一个常数,假设取图1所示的映射点,i(t)=√2/2q(t)= √2/2。经过图13所示的IQ调制器上变频后得到射频信号s(t)
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可见,射频信号是振幅为1的连续波信号,因此√(I2+Q2)定义了载波信号的振幅。
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图13. IQ Modulator架构示意图
根据16QAM的星座图可知,任意两个符号之间都有可能存在跳变,而每个符号映射点对应的矢量模值可能不同,相位也可能不同,因此QAM调制会导致载波的振幅发生变化,同时相位也发生变化。
以上简单介绍了常见的几种通用数字调制方式,有时由于系统需要,要求的调制方式比较特殊,这种情况下可以自定义数字调制。自定义数字调制其实就是根据要求自定义星座图,然后按照映射规则实现符号映射,从而完成调制。通常标准测试设备AWG或者VSG都允许用户自定义数字调制,并提供相应的操作界面,图14是一款AWG自定义数字调制的界面,可以直接调整IQ坐标。
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图14. 自定义星座点的坐标
对于PSK和QAM调制,为了限制信号带宽,防止ISI,一般都会采用PulseShaping Filter对数字IQ信号进行滤波。关于Pulse Shaping Filter将在后面介绍基带IQ信号带宽与射频带宽之间的关系时作介绍。

此帖出自RF/无线论坛

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发表于 2019-3-20 08:49 | 显示全部楼层
比较高端,路过,来了解一下
专注智能产品的研究与开发,专注于电子电路的生产与制造……QQ:2912615383,电子爱好者群: void


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 楼主| 发表于 2019-3-20 08:53 | 显示全部楼层
我有段时间了解过这东西   所以就分享出来  有用大家就看看  没用就当储备的    I  Q   我记得在一个对话中  讲到过  但是没那么仔细    ,反正应用领域不一样   我还是觉得收了   先马起   到时候方便自己学习,,查看

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一粒金砂(初级)

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发表于 2019-3-20 09:25 | 显示全部楼层
有图像显示,很详细,谢谢楼主分享。

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这个东西在仪器里常见 高端一点的信号源里  详情 回复 发表于 2019-3-20 10:08


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 楼主| 发表于 2019-3-20 10:08 | 显示全部楼层
baijin232911 发表于 2019-3-20 09:25
有图像显示,很详细,谢谢楼主分享。

这个东西在仪器里常见  高端一点的信号源里   

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宇宙尘埃

发表于 2019-3-20 12:26 | 显示全部楼层
谢谢分享!

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一起交流 一起学习  详情 回复 发表于 2019-3-20 13:45


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 楼主| 发表于 2019-3-20 13:45 | 显示全部楼层

一起交流 一起学习

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一粒金砂(初级)

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发表于 2019-12-19 19:38 来自手机 | 显示全部楼层
楼主写的很细啊,好像在哪里看到过这篇文章


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纯净的硅(中级)

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发表于 2019-12-20 12:05 | 显示全部楼层

有图有理论,真心好资料。



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