數(shù)字調(diào)制系列：IQ調(diào)制及解調(diào)簡述

數(shù)字調(diào)制系列：IQ調(diào)制及解調(diào)簡述前面在文章“數(shù)字調(diào)制系列：如何理解IQ？”和“數(shù)字調(diào)制系列：IQ基本理論”中介紹了IQ的概念、常用數(shù)字調(diào)制方式及映射星座圖等內(nèi)容，當(dāng)完成數(shù)字比特流到IQ坐標(biāo)系的映射后，便可以得到數(shù)字I和Q信號，然后分別經(jīng)過DAC變換為模擬I和Q信號，最后經(jīng)過IQ調(diào)制器完成上變頻，圖1給出了數(shù)字調(diào)制的簡要架構(gòu)示意圖。作為整個數(shù)字調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，IQ調(diào)制器完成了基帶信號的頻譜搬移，從而達到空口傳輸?shù)臈l件。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？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)制器包括兩個對稱的支路，每個支路包含一個Mixer(上變頻)；兩個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)制器具有三個比較關(guān)鍵的性能指標(biāo)：(1)整個帶寬內(nèi)的頻率響應(yīng)；(2)兩個支路間的幅頻響應(yīng)對稱性(IQ增益平衡)；(3)兩路LO信號的正交性。這些指標(biāo)的優(yōu)劣將直接影響信號調(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。為什么要強調(diào)IQ調(diào)制器兩個支路間的幅頻對稱性呢？如果兩個支路的頻率響應(yīng)不同，就會造成IQ不平衡傳輸，當(dāng)產(chǎn)生中心頻率與IQ調(diào)制器LO頻率不同的信號時，鏡頻分量抑制效果會變差。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Mixer的LO正交性也將會影響鏡頻抑制能力。如果完全正交，則不會對鏡頻抑制能力有影響。當(dāng)偏離正交時，鏡頻分量會增強。如果模擬IQ調(diào)制器的特性不是很理想，勢必會影響信號的調(diào)制質(zhì)量。但是，可以通過源端預(yù)失真來補償，從而改善信號質(zhì)量，比如矢量信號源中允許調(diào)整I/QImbalance及I/QQuadrature參數(shù)等。2.發(fā)射端調(diào)制器是如何實現(xiàn)IQ調(diào)制的？接收端解調(diào)器又是如何實現(xiàn)IQ解調(diào)的？此處信號的調(diào)制與解調(diào)，僅限于模擬IQ信號到RF，再從RF信號解調(diào)出模擬IQ信號。通過下面的介紹，除了調(diào)制與解調(diào)的過程，您還將會了解為什么基帶I和Q信號的帶寬經(jīng)過IQ調(diào)制器后會翻倍。為了便于理解，首先介紹一下信號的單邊帶頻譜與雙邊帶頻譜。這兩種頻譜都可以準(zhǔn)確描述信號的頻譜，但是出發(fā)點不同，應(yīng)用場景也不同。

任何一個周期信號，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(nΩt)；sin(nΩt)，n為任意非負整數(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，此時稱為雙邊帶頻譜。由于運算更加方便，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Mixer實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，負頻率不具有實際物理意義，但是作為傅里葉變換的重要組成部分，構(gòu)成了整個變換的數(shù)學(xué)完整性。虛數(shù)j的存在表明，兩部分信號之間的載波存在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，i(t)和q(t)實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，整個雙邊帶頻譜搬移至射頻，故輸出的信號s(t)的帶寬相對于基帶模擬IQ信號的帶寬翻倍了。在接收側(cè)，射頻調(diào)制信號可經(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。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)器的整個圖解過程，非常清晰地表明了如何由射頻信號得到模擬IQ信號。圖5.IQ解調(diào)頻譜變換示意圖3.IQ調(diào)制與解調(diào)的實現(xiàn)方法有哪些？前面介紹調(diào)制及解調(diào)過程時，默認是按照模擬IQ調(diào)制/解調(diào)器介紹的?，F(xiàn)實中絕大多數(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)字的方式實現(xiàn)的，稱為數(shù)字IQ調(diào)制器，在數(shù)字側(cè)完成符號映射及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。任意波信號發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號就是采用這種方式，但是DAC的時鐘頻率決定了能夠輸出的最高信號頻率。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，最后對IQ數(shù)據(jù)進一步分析?，F(xiàn)在的矢量信號分析儀基本都是采用這個架構(gòu)，有的矢量信號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的分析，這是矢量信號分析儀所遠遠不及的。圖6.矢量信號分析架構(gòu)示意圖小結(jié)之前