在現(xiàn)代無(wú)線通信中，IQ調(diào)制屬于標(biāo)準(zhǔn)配置，經(jīng)常應(yīng)用于通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制和解調(diào)環(huán)節(jié)。IQ調(diào)制的應(yīng)用簡(jiǎn)化了通信設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了頻譜資源的利用效率，提高了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

讓我們先來(lái)看看什么是IQ信號(hào)？

IQ信號(hào)又稱同向正交信號(hào)，I為in-phase（同相），Q為quadrature（正交），與I的相位相差90°。IQ信號(hào)是連續(xù)信號(hào)在二維直角坐標(biāo)系中的映射，通常用于基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換和重建。反映在直角坐標(biāo)圖上，IQ信號(hào)會(huì)變得更容易理解。

圖 原始信號(hào)與IQ二維坐標(biāo)映射

假設(shè)圖中的綠色線表示一個(gè)連續(xù)信號(hào)S(t)的瞬時(shí)幅度A和瞬時(shí)相位Φ，S(t)瞬態(tài)映射到直角坐標(biāo)后，得到同相信號(hào)I=0.69，正交信號(hào)Q=0.40，那么信號(hào)的瞬時(shí)幅度可以表示為，瞬時(shí)相位表示為。

S(t)信號(hào)沿時(shí)間軸展開(kāi)后是一組幅度起伏變化的波形圖，不能直觀反映信號(hào)的所有特征，而映射后的IQ信號(hào)展開(kāi)后，則是一組隨時(shí)間呈現(xiàn)三維變化的形狀，經(jīng)簡(jiǎn)單換算后即可獲得信號(hào)幅度和相位的變化規(guī)律。

圖 S(t)信號(hào)波形

圖 映射后的IQ信號(hào)波形

映射后的IQ信號(hào)可以很方便的提取原始信號(hào)的瞬時(shí)幅度和瞬時(shí)相位等特征，從而得以重建信號(hào)S(t)。可以說(shuō)，IQ信號(hào)就是原始信號(hào)在三維坐標(biāo)系中的真實(shí)映射，完整反映了信號(hào)的所有特征。

那么在無(wú)線通信系統(tǒng)中，發(fā)射端為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)在空中遠(yuǎn)距離傳輸， 需要將低頻基帶信號(hào)通過(guò)一定的方式調(diào)制到高頻載波信號(hào)上形成已調(diào)信號(hào)；接收端在收到已調(diào)信號(hào)后，則采用與調(diào)制相反的過(guò)程把基帶信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中分離出來(lái)。

圖 模擬通信模型

圖 數(shù)字通信模型

在傳統(tǒng)模擬通信中，使用單個(gè)乘法器實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制過(guò)程，假定低頻基帶信號(hào)頻率為，高頻載波信號(hào)頻率，則基本的調(diào)制原理如下：

可以看到單一的乘法器調(diào)制，可以將低頻信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，但也因此得到兩個(gè)信號(hào)發(fā)射頻率、，由于信號(hào)傳輸時(shí)需要單一信道、單一頻率，需要在信號(hào)發(fā)射前濾掉其中的高頻頻率。不過(guò)由于濾波器設(shè)備自身的限制，不可能完全濾掉另一個(gè)信號(hào)頻率，對(duì)頻帶資源造成了很大的浪費(fèi)。為了規(guī)避這一問(wèn)題，需要發(fā)展新的調(diào)制方式。

對(duì)于已調(diào)信號(hào)，可以做三角函數(shù)展開(kāi)，進(jìn)而得到：

上述公式清晰表明，通過(guò)將基帶信號(hào)與載波信號(hào)相乘，隨后兩信號(hào)各自相移90°再相乘，兩次乘積結(jié)果相加即可以得到具有單一發(fā)射頻率的信號(hào)，這里，即是兩組正交信號(hào)。

為使調(diào)制方式具有一般性，假定信號(hào)S(t)的同相分量=A*，正交分量=A*，

則有：

上述公式即是IQ調(diào)制的一般性表示，將信號(hào)S(t)做IQ映射分解，然后分別于載波的兩組正交分量分別做乘法生成已調(diào)信號(hào)，然后兩組已調(diào)信號(hào)相加生成發(fā)射信號(hào)并傳輸。從坐標(biāo)變換角度，IQ調(diào)制是相互正交的基帶信號(hào)分量被調(diào)制到載波頻率，相加得到發(fā)射信號(hào)的過(guò)程。

IQ解調(diào)則相反，是從接收已調(diào)信號(hào)通過(guò)正交載波分量混頻分離出原基帶信號(hào)正交分量的過(guò)程，只是在分離基帶信號(hào)的IQ分量時(shí)需要使用低通濾波器。具體可以參考下面的IQ調(diào)制解調(diào)流程圖。

圖 IQ調(diào)制與解調(diào)—模擬通信

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，IQ調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程與模擬通信系統(tǒng)中的類似，只是基帶信號(hào)由連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散信號(hào)。

圖 IQ調(diào)制與解調(diào)—數(shù)字通信

從以上調(diào)制解調(diào)示意圖可以看到，IQ調(diào)制過(guò)程使用了乘法器、90°相移器以及加法器，硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。在發(fā)射端只需要改變基帶信號(hào)的IQ值即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度、頻率和相位等參數(shù)的快速控制。同樣，在接收端對(duì)信號(hào)的解調(diào)也變得更簡(jiǎn)單、高效。

IQ調(diào)制由于自身的技術(shù)特點(diǎn)，能夠顯著提高頻譜資源的利用效率，同時(shí)提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力，目前廣泛應(yīng)用于模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)，其中模擬通信系統(tǒng)常見(jiàn)于AM、FM廣播，模擬電視廣播等，數(shù)字通信系統(tǒng)則包含了當(dāng)前絕大多數(shù)的類型。

PS：IQ信號(hào)反映了真實(shí)信號(hào)的所有特征，通過(guò)改變信號(hào)的IQ值可以得到期望的調(diào)制方式。監(jiān)測(cè)接收機(jī)具備IQ解調(diào)能力，可以將空中信號(hào)解調(diào)為IQ信號(hào)并做進(jìn)一步分析處理。

審核編輯：湯梓紅