數(shù)字調(diào)制系列：IQ基本理論

數(shù)字調(diào)制系列：IQ基本理論數(shù)字IQ調(diào)制憑借高數(shù)據(jù)速率以及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的模擬調(diào)制不同，數(shù)字調(diào)制采用了新穎的IQ調(diào)制架構(gòu)，以0、1比特流為調(diào)制信號(hào)。簡(jiǎn)單地講，數(shù)字調(diào)制的過(guò)程就是將原始數(shù)據(jù)比特流按照一定的規(guī)則映射至IQ坐標(biāo)系的過(guò)程。映射完成后將得到數(shù)字I和Q信號(hào)，再分別由DAC轉(zhuǎn)換為模擬I和Q信號(hào)，最后經(jīng)IQ調(diào)制器上變頻至射頻頻段。起初接觸數(shù)字調(diào)制的時(shí)候，不知道如何理解IQ信號(hào)，疑惑比較多。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐和思考，略有心得體會(huì)，整理下來(lái)供大家參考。因涉及的內(nèi)容較多，本文主要介紹數(shù)字IQ調(diào)制的基本理論。無(wú)論是模擬調(diào)制，還是數(shù)字調(diào)制，都是采用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的三要素：幅度、頻率和相位，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。模擬調(diào)制稱為AM、FM和PM，而數(shù)字調(diào)制稱為ASK、FSK和PSK。數(shù)字調(diào)制中還有一種調(diào)制方式同時(shí)包含幅度和相位調(diào)制，稱為QAM調(diào)制(正交幅度調(diào)制)。下面將逐一介紹。1.ASK(AmplitudeShiftKeying)ASK稱為幅移鍵控，只對(duì)載波作幅度調(diào)制，通常指二進(jìn)制幅移鍵控2ASK。2ASK在IQ坐標(biāo)系上只有兩個(gè)星座點(diǎn)，理論上，只要不改變載波相位和頻率，星座點(diǎn)的位置可以隨意設(shè)置。但是為了方便，通常將符號(hào)映射至I坐標(biāo)軸，如圖1所示。一個(gè)bit可以表征“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)“0”對(duì)應(yīng)幅度A1，狀態(tài)“1”對(duì)應(yīng)幅度A2。圖1.2ASK調(diào)制映射星座圖類似于模擬AM調(diào)制，ASK也具有調(diào)制深度的概念，調(diào)制深度定義為當(dāng)2ASK的調(diào)制深度為100%時(shí)，只有比特“1”有信號(hào)，比特“0”沒(méi)有信號(hào)，所以稱為On-OffKeying，簡(jiǎn)稱為OOK調(diào)制。OOK是一種特殊的ASK調(diào)制，調(diào)制后的波形為射頻脈沖信號(hào)。圖2給出了當(dāng)調(diào)制源為pattern"1001110001101"時(shí)，OOK調(diào)制之后產(chǎn)生的波形。其中上半圖為采用Rectangularfilter對(duì)應(yīng)的波形，脈沖波形很完美；下半圖為采用RaisedCosinefilter時(shí)的波形，由于該濾波器具有陡峭的滾降特性，抑制了脈沖信號(hào)的高頻邊帶，所以脈沖波形的邊沿變得很緩。因此，如果采用OOK方式產(chǎn)生射頻脈沖串，一定要采用Rectangularfilter。圖2.OOK調(diào)制生成射頻脈沖信號(hào)(pattern"1001110001101")2.FSK(FrequencyShiftKeying)FSK稱為頻移鍵控，常見(jiàn)的FSK包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK等。FSK一般不提及星座圖，而是將符號(hào)映射至頻率軸，圖3以2FSK和4FSK為例，給出了經(jīng)典的符號(hào)映射關(guān)系，縱軸為基帶信號(hào)頻率相對(duì)于FSKPeakDeviation的歸一化值。圖3.2FSK和4FSK符號(hào)映射方式FSK是如何實(shí)現(xiàn)的呢？以4FSK為例，具有{-1,-1/3,1/3,1}四個(gè)歸一化頻率狀態(tài)，假設(shè)FSKPeakDev.為3MHz，則四個(gè)基帶頻率分別為{-3MHz,-1MHz,1MHz,3MHz}。選擇調(diào)制源為pattern'00011011'，并設(shè)置符號(hào)速率為1MSym./s，則在四個(gè)頻點(diǎn)上都將分別持續(xù)1us，即每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的都是一個(gè)CW信號(hào)。雖然FSK并不是將符號(hào)直接映射至IQ坐標(biāo)系中，但是FSK調(diào)制依然具有I分量和Q分量。因?yàn)槿魏我粋€(gè)頻率不為0的基帶信號(hào)，在IQ坐標(biāo)系上的矢量軌跡都是一個(gè)圓，這意味著在不同時(shí)刻，該信號(hào)的I分量和Q分量也是變化的。假設(shè)基帶信號(hào)頻率為ω1，則用虛指數(shù)形式可以表示為，因此在IQ坐標(biāo)系上，隨著時(shí)間變化的矢量軌跡為一個(gè)圓。根據(jù)歐拉公式可得故I=cos(ω1t)，Q=sin(ω1t)。圖4.頻率非0時(shí)的基帶信號(hào)矢量軌跡圖5給出了上述例子中4FSK調(diào)制的I和Q波形，因?yàn)榉?hào)周期為1us，所以對(duì)于f1和f4，一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)包含三個(gè)周期波形。類似地，對(duì)于f2和f3，包含一個(gè)周期波形。從IQ坐標(biāo)系的角度看，F(xiàn)SK調(diào)制的過(guò)程就是沿著軌跡圓作圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，只是基帶頻率越高，運(yùn)動(dòng)速度越快。圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，改變的是載波的相位，因此也可以理解為FSK是通過(guò)調(diào)相間接實(shí)現(xiàn)的。如果符號(hào)速率較高，則符號(hào)周期較短，F(xiàn)SK調(diào)制過(guò)程中很有可能出現(xiàn)一個(gè)符號(hào)周期只包含部分波形的情況，如圖6所示，除了+/-3MHz兩個(gè)頻點(diǎn)是一個(gè)完整的周期，+/-1MHz兩個(gè)頻點(diǎn)只有部分波形。圖5.4FSK調(diào)制的IQ波形(1MSym./s，3MHzdeviation)圖6.4FSK調(diào)制的IQ波形(3MSym./s，3MHzdeviation)3.PSK(PhaseShiftKeying)稱為相移鍵控，是非常主流的數(shù)字調(diào)制方式，常用的PSK包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK等。PSK調(diào)制是將符號(hào)直接映射到IQ坐標(biāo)系上的，圖7給出了幾組常用的映射方式。圖7.常見(jiàn)的BPSK/QPSK/8PSK映射方式下面以QPSK為例，介紹符號(hào)映射的過(guò)程，其它PSK調(diào)制過(guò)程與此類似。假設(shè)比特流為“00011110010011100011”共10個(gè)符號(hào)，按照?qǐng)D7的映射方式，可以得到圖8所示的IQ基帶波形及其矢量軌跡圖。圖中數(shù)字1~9表示符號(hào)點(diǎn)的跳變軌跡，比如跳頻路徑1是指從符號(hào)(00)跳變至(01)的矢量軌跡，跳頻路徑2是從符號(hào)(01)跳變至(11)的矢量軌跡。其中跳頻路徑4、6和9會(huì)出現(xiàn)I和Q同時(shí)為0的情況，意味著這一瞬間將沒(méi)有信號(hào)輸出。這將導(dǎo)致輸出的射頻信號(hào)具有較高峰均比PAR，如果要求發(fā)射平均功率達(dá)到某一水平，高PAR對(duì)應(yīng)的峰值功率將更高，對(duì)功率放大器的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。圖8.QPSK調(diào)制后得到的基帶IQ波形以及矢量軌跡圖為了規(guī)避這種過(guò)零點(diǎn)“行為”，通過(guò)將Q路信號(hào)延遲半個(gè)符號(hào)周期，此時(shí)I和Q不會(huì)同時(shí)為0，符號(hào)跳變時(shí)也就繞開(kāi)了原點(diǎn)，如下圖所示。這種QPSK調(diào)制一般稱為OffsetQPSK，簡(jiǎn)稱為OQPSK；有的文獻(xiàn)稱為staggeredQPSK，簡(jiǎn)稱為SQPSK。圖9.OQPSK調(diào)制后得到的基帶IQ波形以及矢量軌跡圖4.QAM(QuadratureAmplitudeModulation)QAM稱為正交幅度調(diào)制，屬于高階數(shù)字調(diào)制，一個(gè)符號(hào)攜帶多個(gè)bit信息，比如16/32/64/128/256/512/1024QAM等，在移動(dòng)通信中較為常用。前面介紹的PSK調(diào)制并不會(huì)改變載波的振幅，只是改變其相位，而QAM調(diào)制相當(dāng)于調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合的調(diào)制方式，不僅會(huì)改變載波振幅，還會(huì)改變其相位。圖10以16QAM調(diào)制為例，給出了常用的映射星座圖，具有16個(gè)星座點(diǎn)，因此一個(gè)符號(hào)攜帶4bits信息。16QAM調(diào)制的I和Q路信號(hào)為4電平信號(hào)，作為示例，圖11給出了pattern為“01000101001111000000001010011100”對(duì)應(yīng)的16QAM調(diào)制的基帶IQ信號(hào)波形。圖10.常用的16QAM映射星座圖圖11.16QAM調(diào)制的IQ基帶波形(“01000101001111000000001010011100”)IQ坐標(biāo)系上映射星座點(diǎn)的I和Q決定了載波信號(hào)的振幅，而不是包絡(luò)(有效值)。為了便于證明，下面使用IQ調(diào)制的方式產(chǎn)生一個(gè)與載波同頻的CW信號(hào)，對(duì)應(yīng)的I和Q分量為一個(gè)常數(shù)，假設(shè)取圖12所示的映射點(diǎn)，。經(jīng)過(guò)圖13所示的IQ調(diào)制器上變頻后得到射頻信號(hào)s(t)為圖12.選擇此映射點(diǎn)用于產(chǎn)生與載波同頻的射頻信號(hào)可見(jiàn)，射頻信號(hào)是振幅為1的連續(xù)波信號(hào)，因此定義了載波信號(hào)的振幅。圖13.IQModulator架構(gòu)示意圖根據(jù)16QAM的星座圖可知，任意兩個(gè)符號(hào)之間都有可能存在跳變，而每個(gè)符號(hào)映射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矢量模值可能不同，相位也可能不同，因此QAM調(diào)制會(huì)導(dǎo)致載波的振幅發(fā)生變化，同時(shí)相位也發(fā)生變化。以上簡(jiǎn)單介紹了常見(jiàn)的幾種通用數(shù)字調(diào)制方式，有時(shí)由于系統(tǒng)需要，要求的調(diào)制方式比較特殊，這種情況下可以自定義數(shù)字調(diào)制。自定義數(shù)字調(diào)制其實(shí)就是根據(jù)要求自定義星座圖，然后按照映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)符號(hào)映射，從而完成調(diào)制。通常標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備AWG或者VSG都允許用戶自定義數(shù)字調(diào)制，并提供相應(yīng)的操作界面，圖14是Tek一款A(yù)WG自定義數(shù)字調(diào)制的界面，可以直接調(diào)整IQ坐標(biāo)。圖14.自定義星座點(diǎn)的坐標(biāo)小結(jié)本文重點(diǎn)介紹了ASK、FSK