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雖然IQ 調制技術已經非常廣泛地應用于各種無線通信應用中，但是究其細節(jié)，仍有很多人存在疑惑，尤其對于初學者。作者從事測試工作多年，對IQ 調制略有體會，整理下來分享給大家，希望對大家有所幫助。
作為數字IQ 調制系列的首篇文章，本文將主要介紹IQ 的概念，IQ 調制的優(yōu)勢以及符號速率與比特率之間的關系。
1. 什么是IQ ？
回答這個問題不得不提圖1所示的矢量坐標系(復坐標系)，橫軸為實部，縱軸為虛部。數字IQ調制完成了符號到矢量坐標系的映射，即每一個符號對應唯一的坐標點，該坐標點稱為星座點。每一個星座點與原點構成了一個矢量，具有幅度和相位信息，在IQ 調制中，通常默認最大的幅度為1，例如圖1所示的星座點確定的矢量幅度為1、相位為45°。
矢量坐標系上任何一個點均具有實部和虛部，實部與虛部是正交的關系，在無線通信中通常將實部稱為I(n-phase)分量，將虛部稱為Q(uadrature)分量。這就是術語IQ 的由來，該矢量坐標系也可以稱為IQ 坐標系。
數字調制完成了符號到星座點的映射，每個映射點對應一個I 分量和一個Q 分量，二者構成一個矢量，因此數字調制又稱為矢量調制。通常提到的矢量信號源就是因為具有IQ 調制功能，才稱之為矢量信號源。
圖1. IQ矢量坐標系
綜上所述，I 和Q 就是IQ 坐標系上坐標點的橫坐標值和縱坐標值，IQ 坐標系本質上就是復坐標系，只是在數字調制過程中稱之為IQ 坐標系，以便于實現調制。
2. 為什么引入IQ 調制？
由于對數據速率要求不高，起初的無線通信基本都是采用模擬調制方式，比如AM/ FM/PM等。在相當長一段時間內，市場需求并沒有大規(guī)模驅動通信技術的進步。但是隨著衛(wèi)星通信以及個人通信業(yè)務需求的激增，傳統(tǒng)的模擬調制顯然已經無法滿足速率要求，必須要尋求支持更高數據速率的調制技術。
實踐證明，IQ 調制技術可以擔當此重任，我們不去深究何時引入IQ 調制技術，而是把目光聚焦在IQ 調制與傳統(tǒng)的調制相比有哪些優(yōu)勢。
之所以采用IQ調制，主要考慮到如下優(yōu)勢：
(1) IQ調制可以通過提高符號速率或者采用高階調制實現更高的數據速率，非常方便靈活，這是傳統(tǒng)的模擬調制所遠遠不及的。
(2) 實現高速通信時，IQ 調制更加易于實現。IQ 調制可以非常方便地將符號映射至矢量坐標系中，從而完成數字調制；同理，在接收側也可以非常方便地根據符號映射解調出原始數據比特流。
(3) IQ 調制具有更高地頻譜利用率。如何理解呢？
這一優(yōu)勢是相對于普通調制而言的，從整個IQ 調制過程來看，I 路或者Q 路都是普通調制，IQ 調制實際上是兩個特殊普通調制的合成。圖2給出了IQ 調制器架構示意圖，每一個支路上都包含一個上變頻器，二者共用一個本振源，只是兩路本振信號是正交的關系。上變頻之前的輸入信號稱為基帶I 信號和基帶Q 信號，上變頻且合路之后的信號通常稱為射頻調制信號。
為了具有普遍適用性，假設IQ 調制的數據源為偽隨機碼，此時基帶I 信號和基帶Q 信號的頻譜是相同的，帶寬均為B，二者均攜帶信息而且信息量相同。IQ 調制采用零中頻架構，每一路上變頻之后帶寬翻倍至2B，但是攜帶的信息不變。合路后，射頻調制信號帶寬仍然為2B，但是相對于單路調制而言，攜帶的信息量翻倍了。因此，IQ調制具有更高的頻率利用率！
圖2. IQ 調制器示意圖
為了便于理解，下面以QPSK調制為例進一步說明。從效能上講，QPSK調制相當于兩路BPSK調制的合成，I 路調制為一路BPSK，Q 路調制為另一路BPSK。如前所述，I 路調制和Q 路調制均為普通調制。從帶寬上看，QPSK對應的射頻調制信號帶寬與I 或Q 路BPSK調制信號帶寬相同；但是從數據速率上看，QPSK調制是BPSK調制的兩倍。因此，IQ 調制相對于普通調制具有更高的頻率利用率！
圖3. QPSK調制相當于兩路BPSK調制的合成
(4) IQ調制采用零中頻架構，經過調制之后無需使用濾波器抑制鏡頻邊帶，設計更加靈活方便。對于其它收發(fā)機架構，比如超外差架構，由于中頻不為0，經過上變頻后，會存在較強的邊帶分量，還需要專門的鏡頻抑制濾波器進行濾波，這將使得設計更加復雜。
正是基于以上主要優(yōu)勢，IQ 調制應用才越來越廣泛，幾乎目前所有的無線通信中都離不開這種調制技術！
3. 數字調制中的符號速率與比特率之間有什么樣的關系？
首先了解一下數字調制中“符號”的概念。前面提到，數字調制就是將0和1比特流數據按照一定的規(guī)則映射至IQ 坐標系上，在完成映射之前需要將比特流構成符號，因此，數字調制就是將符號映射至IQ 坐標系的過程。
每一個符號都是由比特0和/或1構成，比如：0 / 1 / 00 / 01 / 1001 / 10101……，這些都可以稱為符號。一個符號至少包含一個bit信息，具體由調制方式決定。
符號映射至星座點上，意味著符號要與星座點一一對應，要實現這一點，必須要求星座點數目M與一個符號包含的比特數目N滿足如下關系：
M=2N, N=log2M
如果不滿足這一點，就無法實現符號與星座點之間的映射。比如，假設存在某種調制方式，具有5個星座點，考慮兩種情況：
(1) 如果一個符號包含2比特，則最多包含00 / 01 / 10 / 11四種組合，會有一個星座點用不上。既然用不上，為什么該調制方式不考慮設計為4個星座點？
(2) 如果一個符號包含3比特信息，則最多包含000 / 001 / 010 / 011 / 100 / 101 / 110 / 111八種組合，如何完全映射至5個星座點上？既然無法完全映射，那么又如何保證信息傳輸的完整性？
符號速率與比特率之間有什么關系呢？
符號速率(Symbol rate)就是單位時間內傳輸的符號的個數，如果一個符號包含N個比特，則對應的比特率(Bit rate) 為符號速率的N倍。
Bit rate=Symbol rate ×N
圖4給出了常用的三種PSK調制方式的星座圖：BPSK，QPSK和8PSK。按照上述結論，BPSK調制的比特率與符號速率相同，QPSK調制的比特率是符號速率的兩倍，8PSK調制的比特率是符號速率的三倍。
圖4. 三種常用PSK調制的星座圖
小結
本文的目的就是解答初次接觸數字IQ調制時可能會遇到的一些疑惑，介紹的內容都比較基礎，以便于更好的理解數字IQ調制。文中著重介紹了IQ的概念、IQ調制的優(yōu)勢以及符號速率與比特率之間的關系，這些都是數字IQ調制的基本內容。在此基礎之上，后面將陸續(xù)推出一系列的文章介紹IQ調制技術，這些都是作者多年的積累和總結，希望對大家有所幫助。
作者：Knight
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