簡述IQ調(diào)制及解調(diào)及實(shí)現(xiàn)方法

什么是IQ 調(diào)制器？IQ 調(diào)制器如何工作？接收側(cè)如何解調(diào)出IQ信號(hào)？本文將給出具體介紹。

圖1. 數(shù)字調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1. 什么是IQ 調(diào)制器？

圖2給出了IQ 調(diào)制器的簡要架構(gòu)示意圖，通常包含四個(gè)端口：模擬I 輸入端口，模擬Q 輸入端口，LO （本振） 端口以及射頻輸出端口。有的IQ 調(diào)制器還支持差分模擬I/Q 輸入，因此具有更多的端口。IQ 調(diào)制器包括兩個(gè)對稱的支路，每個(gè)支路包含一個(gè)Mixer （上變頻）；兩個(gè)Mixer 的LO 同源，但是要求正交，即存在90°相位差。

圖2. IQ調(diào)制器架構(gòu)示意圖

IQ 調(diào)制器具有三個(gè)比較關(guān)鍵的性能指標(biāo)：

（1） 整個(gè)帶寬內(nèi)的頻率響應(yīng)；

（2） 兩個(gè)支路間的幅頻響應(yīng)對稱性（IQ增益平衡）；

（3） 兩路LO 信號(hào)的正交性。

這些指標(biāo)的優(yōu)劣將直接影響信號(hào)調(diào)制質(zhì)量的好壞。IQ 調(diào)制器的頻率響應(yīng)包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，對于理想的線性時(shí)不變系統(tǒng)（LTI），幅頻響應(yīng)是平坦的，相頻響應(yīng)是線性的，信號(hào)可以無失真的傳輸。因此，頻響性能越好，調(diào)制質(zhì)量越高，從系統(tǒng)的角度講，BER 越低。

為什么要強(qiáng)調(diào)IQ 調(diào)制器兩個(gè)支路間的幅頻對稱性呢？如果兩個(gè)支路的頻率響應(yīng)不同，就會(huì)造成IQ 不平衡傳輸，當(dāng)產(chǎn)生中心頻率與IQ 調(diào)制器LO 頻率不同的信號(hào)時(shí)，鏡頻分量抑制效果會(huì)變差。因此，需要控制IQ 調(diào)制器支路間的幅頻特性差異。

類似地，兩個(gè)Mixer 的LO 正交性也將會(huì)影響鏡頻抑制能力。如果完全正交，則不會(huì)對鏡頻抑制能力有影響。當(dāng)偏離正交時(shí)，鏡頻分量會(huì)增強(qiáng)。

如果模擬IQ 調(diào)制器的特性不是很理想，勢必會(huì)影響信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。但是，可以通過源端預(yù)失真來補(bǔ)償，從而改善信號(hào)質(zhì)量，比如矢量信號(hào)源中允許調(diào)整I/Q Imbalance 及I/Q Quadrature 參數(shù)等。

2. 發(fā)射端調(diào)制器是如何實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制的？接收端解調(diào)器又是如何實(shí)現(xiàn)IQ解調(diào)的？

此處信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，僅限于模擬IQ 信號(hào)到RF，再從RF 信號(hào)解調(diào)出模擬IQ 信號(hào)。通過下面的介紹，除了調(diào)制與解調(diào)的過程，您還將會(huì)了解為什么基帶I 和Q 信號(hào)的帶寬經(jīng)過IQ 調(diào)制器后會(huì)翻倍。

為了便于理解，首先介紹一下信號(hào)的單邊帶頻譜與雙邊帶頻譜。這兩種頻譜都可以準(zhǔn)確描述信號(hào)的頻譜，但是出發(fā)點(diǎn)不同，應(yīng)用場景也不同。

任何一個(gè)周期信號(hào)，只要滿足狄里赫利條件，均可以寫為一組完備正交集函數(shù)的無窮級數(shù)。通常完備的正交集函數(shù)為三角函數(shù)，比如{cos（n Ωt ）；sin（n Ωt ），n 為任意非負(fù)整數(shù)}；根據(jù)歐拉公式，三角函數(shù)與虛指數(shù)函數(shù)存在一定的關(guān)系，因此周期信號(hào)也可以寫為虛指數(shù)函數(shù)的無窮級數(shù)。

如果按照三角函數(shù)級數(shù)展開，則對應(yīng)的頻譜為單邊帶頻譜，如果按照虛指數(shù)函數(shù)級數(shù)展開，則對應(yīng)的頻譜是關(guān)于零頻左右對稱的頻譜，此時(shí)稱為雙邊帶頻譜。由于運(yùn)算更加方便，雙邊帶頻譜應(yīng)用更加廣泛。

對于調(diào)制應(yīng)用而言，涉及到頻譜的搬移，因此采用雙邊帶頻譜更加方便。下文所涉及的頻譜，均指雙邊帶頻譜。雙邊帶頻譜包括負(fù)頻率成分，沒有具體物理意義，但是從數(shù)學(xué)角度講，這些又是構(gòu)成傅里葉變換的必不可少的組成部分。

圖2所示的IQ 調(diào)制器，在上變頻的過程中，兩個(gè)Mixer 實(shí)際上起到乘法器的作用，即i（t） 與cos（ωct ）相乘，q（t） 與sin（ωct） 相乘，最后合為一路輸出。

假設(shè)I（ω） 和Q（ω） 分別為i（t） 和q（t） 的傅里葉變換，而三角函數(shù)的傅里葉變換為

根據(jù)頻域卷積定理可得：

由此可見，i（t） 和q（t） 經(jīng)過混頻器后，從傅里葉的角度看，其雙邊帶頻譜發(fā)生了搬移，中心頻率由DC 搬移至ωc。傅里葉變換的產(chǎn)物中還包含（-ωc）頻率成分，如前所述，負(fù)頻率不具有實(shí)際物理意義，但是作為傅里葉變換的重要組成部分，構(gòu)成了整個(gè)變換的數(shù)學(xué)完整性。

虛數(shù) j 的存在表明，兩部分信號(hào)之間的載波存在90°相差，二者保持正交。

以上數(shù)學(xué)推導(dǎo)也可以由圖解完成，圖3給出了正、余弦函數(shù)的傅里葉變換示意圖，模擬IQ 信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器后，頻譜變換示意圖如圖4所示。

圖3. 正、余弦三角函數(shù)的傅里葉變換

圖4. IQ調(diào)制頻譜變換示意圖

因采用雙邊帶頻譜描述信號(hào)，i（t） 和q（t） 實(shí)際帶寬為雙邊帶頻譜帶寬的一半，由上述推導(dǎo)可知，當(dāng)經(jīng)過IQ調(diào)制器上變頻之后，整個(gè)雙邊帶頻譜搬移至射頻，故輸出的信號(hào)s（t） 的帶寬相對于基帶模擬IQ信號(hào)的帶寬翻倍了。

在接收側(cè)，射頻調(diào)制信號(hào)可經(jīng)過模擬IQ解調(diào)器解調(diào)，經(jīng)過低通濾波器之后分別得到模擬I 和Q 信號(hào)。數(shù)學(xué)推導(dǎo)與IQ調(diào)制類似，此處不再贅述。圖5給出了IQ解調(diào)器的整個(gè)圖解過程，非常清晰地表明了如何由射頻信號(hào)得到模擬IQ信號(hào)。

圖5. IQ解調(diào)頻譜變換示意圖

3. IQ調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法有哪些？

前面介紹調(diào)制及解調(diào)過程時(shí)，默認(rèn)是按照模擬IQ調(diào)制/解調(diào)器介紹的。現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)數(shù)字調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)均是采用了模擬IQ 調(diào)制器，從測試設(shè)備的角度講，矢量信號(hào)源也是采用了模擬IQ 調(diào)制器的架構(gòu)。盡管如此，IQ 調(diào)制功能也是可以通過數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)的，稱為數(shù)字IQ調(diào)制器，在數(shù)字側(cè)完成符號(hào)映射及IQ 調(diào)制，從而得到具有載波的波形，最后經(jīng)過DAC 直接播放出來。任意波信號(hào)發(fā)生器（AWG） 產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號(hào)就是采用這種方式，但是DAC的時(shí)鐘頻率決定了能夠輸出的最高信號(hào)頻率。

類似地，模擬IQ 解調(diào)器的功能也可以由數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，稱為數(shù)字下變頻。而且相對于模擬解調(diào)器而言，數(shù)字下變頻應(yīng)用更加廣泛。其基本思路為：射頻信號(hào)經(jīng)過下變頻至IF 頻段，然后經(jīng)過ADC 直接離散化，對離散的數(shù)據(jù)作數(shù)字下變頻便可以得到數(shù)字IQ 信號(hào)，最后對IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。現(xiàn)在的矢量信號(hào)分析儀基本都是采用這個(gè)架構(gòu)，有的矢量信號(hào)分析采用示波器及分析軟件的方案，也是應(yīng)用了數(shù)字下變頻技術(shù)，如圖6所示，示波器的最大優(yōu)勢就是支持更高帶寬信號(hào)的分析，這是矢量信號(hào)分析儀所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。

圖6. 矢量信號(hào)分析架構(gòu)示意圖