數(shù)字IQ調(diào)制憑借高數(shù)據(jù)速率以及易于實現(xiàn)等優(yōu)勢，廣泛應用于無線通信系統(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。簡單地講，數(shù)字調(diào)制的過程就是將原始數(shù)據(jù)比特流按照一定的規(guī)則映射至IQ坐標系的過程。映射完成后將得到數(shù)字I和Q信號，再分別由DAC轉(zhuǎn)換為模擬I和Q信號，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)制的時候，不知道如何理解IQ信號，疑惑比較多。經(jīng)過長時間的實踐和思考，略有心得體會，整理下來供大家參考。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。

無論是模擬調(diào)制，還是數(shù)字調(diào)制，都是采用調(diào)制信號去控制載波信號的三要素：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 (Amplitude Shift Keying)

ASK稱為幅移鍵控，只對載波作幅度調(diào)制，通常指二進制幅移鍵控2ASK。2ASK在IQ 坐標系上只有兩個星座點，理論上，只要不改變載波相位和頻率，星座點的位置可以隨意設置。但是為了方便，通常將符號映射至I坐標軸，如圖1所示。一個bit可以表征“0” 和“1” 兩個狀態(tài)，狀態(tài)“0” 對應幅度A1，狀態(tài)“1” 對應幅度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2ASK的調(diào)制深度為100%時，只有比特“1”有信號，比特“0”沒有信號，所以稱為On-Off Keying，簡稱為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。

圖2給出了當調(diào)制源為pattern "1001110001101"時，OOK調(diào)制之后產(chǎn)生的波形。其中上半圖為采用Rectangular filter對應的波形，脈沖波形很完美；下半圖為采用Raised Cosine filter時的波形，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Rectangular filter。

圖2. OOK調(diào)制生成射頻脈沖信號(pattern "1001110001101")

2. FSK (Frequency Shift Keying)

FSK稱為頻移鍵控，常見的FSK包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK等。FSK一般不提及星座圖，而是將符號映射至頻率軸，圖3以2FSK和4FSK為例，給出了經(jīng)典的符號映射關(guān)系，縱軸為基帶信號頻率相對于FSK Peak Deviation的歸一化值。

圖3. 2FSK和4FSK符號映射方式

FSK是如何實現(xiàn)的呢？以4FSK為例，具有{-1, -1/3, 1/3, 1} 四個歸一化頻率狀態(tài)，假設FSK Peak Dev.為3MHz，則四個基帶頻率分別為{-3MHz, -1MHz, 1MHz, 3MHz }。選擇調(diào)制源為pattern '00011011'，并設置符號速率為1M Sym./s，則在四個頻點上都將分別持續(xù)1us，即每個符號周期內(nèi)對應的都是一個CW信號。

雖然FSK并不是將符號直接映射至IQ坐標系中，但是FSK調(diào)制依然具有I 分量和Q 分量。因為任何一個頻率不為0的基帶信號，在IQ坐標系上的矢量軌跡都是一個圓，這意味著在不同時刻，該信號的I 分量和Q 分量也是變化的。

假設基帶信號頻率為ω₁，則用虛指數(shù)形式可以表示為，因此在IQ坐標系上，隨著時間變化的矢量軌跡為一個圓。根據(jù)歐拉公式可得

故I=cos(ω₁t)，Q=sin(ω₁t) 。

圖4. 頻率非0時的基帶信號矢量軌跡

圖5給出了上述例子中4FSK調(diào)制的I 和Q 波形，因為符號周期為1us，所以對于f₁和f₄，一個符號周期內(nèi)包含三個周期波形。類似地，對于f₂和f₃，包含一個周期波形。從IQ坐標系的角度看，F(xiàn)SK調(diào)制的過程就是沿著軌跡圓作圓周運動的過程，只是基帶頻率越高，運動速度越快。圓周運動過程中，改變的是載波的相位，因此也可以理解為FSK是通過調(diào)相間接實現(xiàn)的。

如果符號速率較高，則符號周期較短，F(xiàn)SK調(diào)制過程中很有可能出現(xiàn)一個符號周期只包含部分波形的情況，如圖6所示，除了+/-3MHz兩個頻點是一個完整的周期，+/-1MHz兩個頻點只有部分波形。

圖5. 4FSK調(diào)制的IQ波形(1M Sym./s，3MHz deviation)

圖6. 4FSK調(diào)制的IQ波形(3M Sym./s，3MHz deviation)

3. PSK (Phase Shift Keying)

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)制是將符號直接映射到IQ坐標系上的，圖7給出了幾組常用的映射方式。

圖7. 常見的BPSK/QPSK/8PSK映射方式

下面以QPSK為例，介紹符號映射的過程，其它PSK調(diào)制過程與此類似。假設比特流為“00 01 11 10 01 00 11 10 00 11” 共10個符號，按照圖7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表示符號點的跳變軌跡，比如跳頻路徑1是指從符號(00)跳變至(01)的矢量軌跡，跳頻路徑2是從符號(01)跳變至(11)的矢量軌跡。其中跳頻路徑4、6和9會出現(xiàn)I 和Q 同時為0的情況，意味著這一瞬間將沒有信號輸出。這將導致輸出的射頻信號具有較高峰均比PAR，如果要求發(fā)射平均功率達到某一水平，高PAR對應的峰值功率將更高，對功率放大器的設計提出了挑戰(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)避這種過零點“行為”，通過將Q路信號延遲半個符號周期，此時I 和Q 不會同時為0，符號跳變時也就繞開了原點，如下圖所示。這種QPSK調(diào)制一般稱為Offset QPSK，簡稱為OQPSK；有的文獻稱為staggered QPSK，簡稱為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 (Quadrature Amplitude Modulation)

QAM稱為正交幅度調(diào)制，屬于高階數(shù)字調(diào)制，一個符號攜帶多個bit信息，比如16/32/64/128 /256/512/1024 QAM等，在移動通信中較為常用。前面介紹的PSK調(diào)制并不會改變載波的振幅，只是改變其相位，而QAM調(diào)制相當于調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合的調(diào)制方式，不僅會改變載波振幅，還會改變其相位。

圖10以16QAM調(diào)制為例，給出了常用的映射星座圖，具有16個星座點，因此一個符號攜帶4 bits信息。16QAM調(diào)制的I 和Q 路信號為4電平信號，作為示例，圖11給出了pattern為“0100 0101 0011 1100 0000 0010 1001 1100” 對應的16QAM調(diào)制的基帶IQ信號波形。

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坐標系上映射星座點的I 和Q 決定了載波信號的振幅，而不是包絡(有效值)。為了便于證明，下面使用IQ調(diào)制的方式產(chǎn)生一個與載波同頻的CW信號，對應的I 和Q 分量為一個常數(shù)，假設取圖12所示的映射點，。經(jīng)過圖13所示的IQ調(diào)制器上變頻后得到射頻信號s(t)為

圖12. 選擇此映射點用于產(chǎn)生與載波同頻的射頻信號

可見，射頻信號是振幅為1的連續(xù)波信號，因此定義了載波信號的振幅。

圖13. IQ Modulator架構(gòu)示意圖

根據(jù)16QAM的星座圖可知，任意兩個符號之間都有可能存在跳變，而每個符號映射點對應的矢量模值可能不同，相位也可能不同，因此QAM調(diào)制會導致載波的振幅發(fā)生變化，同時相位也發(fā)生變化。

以上簡單介紹了常見的幾種通用數(shù)字調(diào)制方式，有時由于系統(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)制其實就是根據(jù)要求自定義星座圖，然后按照映射規(guī)則實現(xiàn)符號映射，從而完成調(diào)制。通常標準測試設備AWG或者VSG都允許用戶自定義數(shù)字調(diào)制，并提供相應的操作界面，圖14是Tek一款AWG自定義數(shù)字調(diào)制的界面，可以直接調(diào)整IQ坐標。

圖14. 自定義星座點的坐標

小結(jié)

本文重點介紹了ASK、FSK、PSK及QAM等數(shù)字調(diào)制方式的相關(guān)理論知識，由于PSK和QAM調(diào)制包含了很多種類，文中只是選取了其中幾種典型的調(diào)制方式為例進行了說明。另外，對于PSK和QAM調(diào)制，為了防止碼間干擾(ISI) 及限制信號帶寬，一般都會采用Pulse Shaping Filter對數(shù)字IQ信號進行濾波。關(guān)于Pulse Shaping Filter的內(nèi)容將在后續(xù)的系列文章中介紹。