什么是IQ調(diào)制器？IQ調(diào)制器如何工作？接收側(cè)如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)？

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(hào)，然后分別經(jīng)過(guò) DAC 變換為模擬 I 和 Q 信號(hào)，最后經(jīng)過(guò) IQ 調(diào)制器完成上變頻，圖1給出了數(shù)字調(diào)制的簡(jiǎn)要架構(gòu)示意圖。作為整個(gè)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(hào)的頻譜搬移，從而達(dá)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)如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)？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(jiǎn)要示意圖，通常包含四個(gè)端口：模擬 I 輸入，模擬 Q 輸入，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(gè)對(duì)稱的支路，每個(gè)支路包含一個(gè) Mixer (上變頻)；兩個(gè) 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(gè)比較關(guān)鍵的性能指標(biāo)：(1) 整個(gè)帶寬內(nèi)的頻率響應(yīng)；(2) 兩個(gè)支路間的幅頻響應(yīng)對(duì)稱性(IQ 增益平衡)；(3) 兩路 LO 信號(hào)的正交性。

這些指標(biāo)的優(yōu)劣將直接影響信號(hào)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(duì)于理想的線性時(shí)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(hào)可以無(wú)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(qiáng)調(diào) IQ 調(diào)制器兩個(gè)支路間的幅頻對(duì)稱性呢？如果兩個(gè)支路的頻譜響應(yīng)不同，就會(huì)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(hào)時(shí)，鏡頻分量抑制效果會(huì)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(gè) Mixer 的 LO 正交性也將會(huì)影響鏡頻抑制能力。如果完全正交，則不會(huì)對(duì)鏡頻抑制能力有影響。當(dāng)偏離正交時(shí)，鏡頻分量會(huì)增強(qiáng)。

如果模擬 IQ 調(diào)制器的特性不是很理想，勢(shì)必會(huì)影響信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。但是，可以通過(guò)源端預(yù)失真來(lái)補(bǔ)償，從而改善信號(hào)質(zhì)量，比如矢量信號(hào)源中允許調(diào)整 I/Q Imbalance 及 I/Q Quadrature 參數(shù)等。

**2. 發(fā)射端 IQ 調(diào)制器是如何實(shí)現(xiàn)上變頻的？接收端 IQ ** 解調(diào)器又是如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)的？ 此處信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，僅限于模擬 IQ 信號(hào)到 RF，再?gòu)?RF 信號(hào)解調(diào)出模擬 IQ 信號(hào)。通過(guò)下面的介紹，除了調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程，您還將會(huì)了解為什么基帶 I 和 Q 信號(hào)的帶寬經(jīng)過(guò) IQ 調(diào)制器后會(huì)翻倍。

首先介紹一下信號(hào)的 單邊帶頻譜與雙邊帶頻譜。 這兩種頻譜都可準(zhǔn)確描述信號(hào)頻譜，但是出發(fā)點(diǎn)不同，應(yīng)用場(chǎng)景也不同。

任何一個(gè)周期信號(hào)，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(wú)窮級(jí)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(fù)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(hào)也可以寫為虛指數(shù)函數(shù)的無(wú)窮級(jí)數(shù)。

如果按照三角函數(shù)級(jí)數(shù)展開(kāi)，則對(duì)應(yīng)的頻譜為單邊帶頻譜，如果按照虛指數(shù)函數(shù)級(jí)數(shù)展開(kāi)，則對(duì)應(yīng)的頻譜是關(guān)于零頻左右對(duì)稱的頻譜，此時(shí)稱為雙邊帶頻譜。由于運(yùn)算更加方便，雙邊帶頻譜應(yīng)用更加廣泛。

對(duì)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(fù)頻率成分，沒(méi)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(guò)程中，兩個(gè) Mixer 實(shí)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(jiàn)，和經(jīng)過(guò)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(fù)頻率不具有實(shí)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(gè)變換的數(shù)學(xué)完整性。

虛數(shù)* j *的存在表明，兩部分信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，i(t) 和 q(t) 實(shí)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(guò)調(diào)制器上變頻之后，整個(gè)雙邊帶頻譜搬移至射頻，故輸出的信號(hào)s(t) 的帶寬相對(duì)于基帶信號(hào)的帶寬翻倍了。

在接收側(cè)，射頻調(diào)制信號(hào)可經(jīng)過(guò)模擬 IQ 解調(diào)器解調(diào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器之后分別得到模擬 I 和 Q 信號(hào)。數(shù)學(xué)推導(dǎo)與 IQ 調(diào)制類似，此處不再贅述。圖5給出了解調(diào)的整個(gè)圖解過(guò)程，非常清晰地表明了如何由射頻信號(hào)得到基帶信號(hào)。

圖5. IQ解調(diào)頻譜變換示意圖

3. IQ 調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法有哪些？ 前面介紹調(diào)制及解調(diào)過(guò)程時(shí)，默認(rèn)是按照模擬 IQ 調(diào)制器和解調(diào)器介紹的?，F(xiàn)實(shí)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(cè)試設(shè)備的角度講，矢量信號(hào)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(guò)數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)的，稱為數(shù)字****IQ 調(diào)制器 ，在數(shù)字側(cè)完成符號(hào)映射及 IQ 調(diào)制，從而得到具有載波的波形，最后經(jīng)過(guò) DAC 直接播放出來(lái)。任意波信號(hào)發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號(hào)就是采用這種方式，但是DAC的時(shí)鐘頻率決定了能夠輸出的最高信號(hào)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(shí)現(xiàn)，稱為 數(shù)字下變頻 。而且相對(duì)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(hào)經(jīng)過(guò)下變頻至 IF 頻段，然后經(jīng)過(guò) ADC 直接離散化，對(duì)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(hào)，最后對(duì) IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析?，F(xiàn)在的矢量信號(hào)分析儀基本都是采用這個(gè)架構(gòu)，有的矢量分析方案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。

圖6. 矢量信號(hào)分析架構(gòu)示意圖

以上介紹了 IQ 調(diào)制器的概念、IQ 調(diào)制及解調(diào)過(guò)程及其實(shí)現(xiàn)方法，后面的內(nèi)容將重點(diǎn)介紹 IQ 調(diào)制器的特性，比如鏡頻抑制特性、載波抑制能力，以及相對(duì)于普通上變頻器，IQ 調(diào)制器的優(yōu)勢(shì)等。