說一說IQ調制和星座圖

IQ信號是什么

先說說IQ數(shù)據(jù)是用來干什么的。在通信系統(tǒng)中，通信所用的電磁波最基本的參數(shù)是頻帶和帶寬，這兩個參數(shù)不做介紹，對通信有了解的人應該都不會陌生。電磁波的頻率不會從0開始，電磁波所處的頻帶的中心頻點被稱作中頻，減掉中頻之后的信號被稱作基帶信號。真正承載有用的信息的是基帶信號。舉例說明：假設廣播電臺的頻段是800.9MHz~900.1MHz，那么其帶寬是200kHz，中頻是900MHz，減掉中頻之后[-100kHz, 100kHz]的信號被稱作基帶信號。所以在接收到信號之后直接減掉中頻的RF接收機就叫零中頻接收機。

在通信的過程中不可能直接傳輸基帶信號，要把基帶信號放在中頻上才能進行傳輸，因此中頻也叫做載波。當我們需要傳輸數(shù)據(jù)時，首先要把基帶信號放到載波上，就像我們要運貨物的時候要先把貨搬到車上，這個過程叫做上變頻，到達目的地之后要卸貨，這個過程叫下變頻。假設基帶信號為cos(a)，載波為cos(b)，上變頻所期望的結果就是cos(a+b)，令a+b=c，則下變頻期望的結果就是cos(c-b)。上變頻與下變頻的過程統(tǒng)稱為混頻。那么混頻是怎么實現(xiàn)的呢？其實從數(shù)學上也比較好理解，三角函數(shù)要實現(xiàn)頻率的變換，就得通過乘法來實現(xiàn)。兩個不同頻率的信號相乘得到的結果請看下面的式子

其實這個結果在模擬鎖相環(huán)那一篇里面有過介紹。混頻的過程總是伴隨著頻率差和頻率和兩個結果，這也是頻率鏡像的來源。和模擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器目的正好相反，我們需要在這個結果中濾掉頻率差保留頻率和。為了得到單一的和或差的信號，于是將差的部分展開，得到如下結果：

上式中sin(a)和sin(b)則是和cos(a)、cos(b)相差90°的信號，也就是正交的IQ信號。這個式子很清楚的表明IQ信號在混頻過程中所帶來的便利。對于基帶的數(shù)字信號來講，有IQ信號之后就可以很方便的進行上下變頻的操作。

這是一個典型的捷變頻收發(fā)器的框圖，其內部集成了本振，也可以選擇外部輸入本振信號，直接進行上下變頻之后進行采集和播放的步驟。

IQ調制

利用IQ信號對數(shù)據(jù)進行調制的方式就是IQ調制，IQ調制被廣泛的運用在通信信號的編碼中。關于IQ調制的理解還是倒著說邊角容易理解。IQ調制的過程見下圖。

輸入的ab兩路信號分別乘以cos(ωt)和sin(ωt)，之后再相加（通常sin函數(shù)的符號為負）就得到了IQ調制之后的信號。而對應于a/b不同的取值，θ有不同的取值。

那么被稱為I/Q數(shù)據(jù)的a路和b路數(shù)據(jù)時從哪里來的呢？我們的數(shù)據(jù)是一連串連續(xù)的bit，而a/b兩路數(shù)據(jù)就是和這些bit直接做映射得到的結果。一次對每兩個bit做編碼時，只需要給a和b定義兩個值即可，對4個bit做編碼時需要給a和b定義4個值，以此類推。

上表中a和b的取值是為了使輸出幅度為1，當一次對4個bit做編碼時，其映射關系見下表。

那對于編碼映射的過程是可以隨意定義的嗎？顯然不是，為了使IQ調制之后輸出的相位誤差最小，相鄰的相位之間只有1個bit的差別，也就是格雷碼。

星座圖

通信系統(tǒng)中經(jīng)常見到星座圖這個概念，什么是星座圖，又是用來干什么的？

在通信技術的發(fā)展中，1G時代是模擬通信，從2G時代開始就進入了數(shù)字通信技術的時代，現(xiàn)在1G已經(jīng)幾乎被完全淘汰。在通信制式中，有調幅、調頻和調相3種形式。

在模擬通信中，在指定的頻段中，調頻波是連續(xù)的，類似于雷達波中常用的chirp信號。雷達中用chirp信號是為了方便做脈沖壓縮，使多普勒頻移更加明顯進而提高速度分辨率，但在通信系統(tǒng)中，多普勒頻移則是我們所不期望的。

到了數(shù)字通信的時代，在調頻中的頻率則是不連續(xù)的。在頻段中，用不同的頻點來分別表示0和1。下圖清楚的表示出了調幅調頻和調相的具體調制方式。

PSK，相移鍵控，顧名思義，是通過按鍵來控制信號輸出相位的改變。通過輸入0/1信號來控制相位的改變是一種很容易實現(xiàn)的調制方式。把PSK和上面的IQ調制結合起來就可以方便的完成調制過程。當一次對2bit做編碼時，共有4種相位，對應IQ的4種不同組合，這種調制稱為QPSK；對4bit做編碼時共有16種相位，稱為16PSK。

我們把輸入的IQ信號定義為信號的實部和虛部（但實際上IQ兩路信號都是實信號）將I和Q分別作為橫軸和縱軸，那么在復平面上每兩個IQ值可以對應一個固定的點，將坐標圖畫出來就叫做星座圖。

PSK和QAM二者本質的區(qū)別在于PSK的點分布在一個單位圓上，而QAM的點并不分布在單位圓上，這意味著輸出信號的幅度并不是一定的，所以QAM的編碼方式對于頻譜的利用率是PSK編碼的幾倍。

格雷碼的編碼方式保證了1bit的誤碼只會讓星座圖上的點在相鄰的點之間跳變，不同的編碼方式和映射關系對于五碼性能也是有影響的，這就屬于統(tǒng)計學的領域了，不做討論。

在QAM的星座圖上，相對于原點的距離也就是信號的功率，信號的功率會直接反映在星座圖上。