最近在籌劃寫一系列關(guān)于數(shù)字IQ 調(diào)制的短文，以幫助初學(xué)者能夠更好地理解和掌握。雖然IQ 調(diào)制技術(shù)已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種無線通信應(yīng)用中，但是究其細節(jié)，仍有很多人存在疑惑，尤其對于初學(xué)者。作者從事測試工作多年，對IQ 調(diào)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(shù)字IQ 調(diào)制系列的首篇文章，本文將主要介紹IQ 的概念，IQ 調(diào)制的優(yōu)勢以及符號速率與比特率之間的關(guān)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(biāo)系(復(fù)坐標(biāo)系)，橫軸為實部，縱軸為虛部。數(shù)字IQ調(diào)制完成了符號到矢量坐標(biāo)系的映射，即每一個符號對應(yīng)唯一的坐標(biāo)點，該坐標(biāo)點稱為星座點。每一個星座點與原點構(gòu)成了一個矢量，具有幅度和相位信息，在IQ 調(diào)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(biāo)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(guān)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(shù)語IQ 的由來，該矢量坐標(biāo)系也可以稱為IQ 坐標(biāo)系。

數(shù)字調(diào)制完成了符號到星座點的映射，每個映射點對應(yīng)一個I 分量和一個Q 分量，二者構(gòu)成一個矢量，因此數(shù)字調(diào)制又稱為矢量調(diào)制。通常提到的矢量信號源就是因為具有IQ 調(diào)制功能，才稱之為矢量信號源。

圖1. IQ矢量坐標(biāo)系

綜上所述，I 和Q 就是IQ  坐標(biāo)系上坐標(biāo)點的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值，IQ 坐標(biāo)系本質(zhì)上就是復(fù)坐標(biāo)系，只是在數(shù)字調(diào)制過程中稱之為IQ 坐標(biāo)系，以便于實現(xiàn)調(diào)制。

2. 為什么引入IQ 調(diào)制？

由于對數(shù)據(jù)速率要求不高，起初的無線通信基本都是采用模擬調(diào)制方式，比如AM/ FM/PM等。在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，市場需求并沒有大規(guī)模驅(qū)動通信技術(shù)的進步。但是隨著衛(wèi)星通信以及個人通信業(yè)務(wù)需求的激增，傳統(tǒng)的模擬調(diào)制顯然已經(jīng)無法滿足速率要求，必須要尋求支持更高數(shù)據(jù)速率的調(diào)制技術(shù)。

實踐證明，IQ 調(diào)制技術(shù)可以擔(dān)當(dāng)此重任，我們不去深究何時引入IQ 調(diào)制技術(shù)，而是把目光聚焦在IQ 調(diào)制與傳統(tǒng)的調(diào)制相比有哪些優(yōu)勢。

之所以采用IQ調(diào)制，主要考慮到如下優(yōu)勢：

(1)   IQ調(diào)制可以通過提高符號速率或者采用高階調(diào)制實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，非常方便靈活，這是傳統(tǒng)的模擬調(diào)制所遠遠不及的。

(2)   實現(xiàn)高速通信時，IQ 調(diào)制更加易于實現(xiàn)。IQ 調(diào)制可以非常方便地將符號映射至矢量坐標(biāo)系中，從而完成數(shù)字調(diào)制；同理，在接收側(cè)也可以非常方便地根據(jù)符號映射解調(diào)出原始數(shù)據(jù)比特流。

(3)   IQ 調(diào)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(diào)制而言的，從整個IQ 調(diào)制過程來看，I 路或者Q 路都是普通調(diào)制，IQ 調(diào)制實際上是兩個特殊普通調(diào)制的合成。圖2給出了IQ 調(diào)制器架構(gòu)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(guān)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(diào)制信號。

為了具有普遍適用性，假設(shè)IQ 調(diào)制的數(shù)據(jù)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(diào)制采用零中頻架構(gòu)，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(diào)制信號帶寬仍然為2B，但是相對于單路調(diào)制而言，攜帶的信息量翻倍了。因此，IQ調(diào)制具有更高的頻率利用率！

圖2.  IQ 調(diào)制器示意圖

為了便于理解，下面以QPSK調(diào)制為例進一步說明。從效能上講，QPSK調(diào)制相當(dāng)于兩路BPSK調(diào)制的合成，I 路調(diào)制為一路BPSK，Q 路調(diào)制為另一路BPSK。如前所述，I 路調(diào)制和Q 路調(diào)制均為普通調(diào)制。從帶寬上看，QPSK對應(yīng)的射頻調(diào)制信號帶寬與I 或Q 路BPSK調(diào)制信號帶寬相同；但是從數(shù)據(jù)速率上看，QPSK調(diào)制是BPSK調(diào)制的兩倍。因此，IQ 調(diào)制相對于普通調(diào)制具有更高的頻率利用率！

圖3.  QPSK調(diào)制相當(dāng)于兩路BPSK調(diào)制的合成

(4)   IQ調(diào)制采用零中頻架構(gòu)，經(jīng)過調(diào)制之后無需使用濾波器抑制鏡頻邊帶，設(shè)計更加靈活方便。對于其它收發(fā)機架構(gòu)，比如超外差架構(gòu)，由于中頻不為0，經(jīng)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(shè)計更加復(fù)雜。

正是基于以上主要優(yōu)勢，IQ 調(diào)制應(yīng)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(diào)制技術(shù)！

3. 數(shù)字調(diào)制中的符號速率與比特率之間有什么樣的關(guān)系？

首先了解一下數(shù)字調(diào)制中“符號”的概念。前面提到，數(shù)字調(diào)制就是將0和1比特流數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則映射至IQ 坐標(biāo)系上，在完成映射之前需要將比特流構(gòu)成符號，因此，數(shù)字調(diào)制就是將符號映射至IQ 坐標(biāo)系的過程。

每一個符號都是由比特0和/或1構(gòu)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(diào)制方式?jīng)Q定。

符號映射至星座點上，意味著符號要與星座點一一對應(yīng)，要實現(xiàn)這一點，必須要求星座點數(shù)目M與一個符號包含的比特數(shù)目N滿足如下關(guān)系：

M=2^N,   N=log₂M

如果不滿足這一點，就無法實現(xiàn)符號與星座點之間的映射。比如，假設(shè)存在某種調(diào)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(diào)制方式不考慮設(shè)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?shù)耐暾裕?/p>

符號速率與比特率之間有什么關(guān)系呢？

符號速率(Symbol rate)就是單位時間內(nèi)傳輸?shù)姆柕膫€數(shù)，如果一個符號包含N個比特，則對應(yīng)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(diào)制方式的星座圖：BPSK，QPSK和8PSK。按照上述結(jié)論，BPSK調(diào)制的比特率與符號速率相同，QPSK調(diào)制的比特率是符號速率的兩倍，8PSK調(diào)制的比特率是符號速率的三倍。

圖4.  三種常用PSK調(diào)制的星座圖

小結(jié)

本文的目的就是解答初次接觸數(shù)字IQ調(diào)制時可能會遇到的一些疑惑，介紹的內(nèi)容都比較基礎(chǔ)，以便于更好的理解數(shù)字IQ調(diào)制。文中著重介紹了IQ的概念、IQ調(diào)制的優(yōu)勢以及符號速率與比特率之間的關(guān)系，這些都是數(shù)字IQ調(diào)制的基本內(nèi)容。在此基礎(chǔ)之上，后面將陸續(xù)推出一系列的文章介紹IQ調(diào)制技術(shù)，這些都是作者多年的積累和總結(jié)，希望對大家有所幫助。