I/Q调制的基本原理

1）数字信号的传输方式

数字信号共有两种传输方式：

（1）基带传输：数字信号直接传送的方式。

（2）频带传输：用数字基带信号调制载波后的传送方式。

所谓调制，是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使载波的这些参数随基带信号的变化而变化。将信源发出的信息码经码型变换及滤波成形后直接传送至接收端，虽然码型变换及滤波成形可使其频谱结构发生某些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。数字调制传输系统：用数字基带信号调制载波的一种传输系统，这种系统也称为数字频带传输系统。

2）载波的形式

载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号（正弦波或余弦波）作为载波，因为便于产生与接收。

3）数字调制的分类

从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成4种类型：ASK、FSK（MSK）、QAM和PSK。每种类型又有多种不同的形式。如在ASK中有正交载波调制技术、单边带技术、残留边带技术和部分响应技术等。在FSK中有连续相位调制技术等，在PSK中有2PSK、4PSK等。在这些调制技术中，常用的是多相相移键控技术、正交幅度键控技术和连续相位的频率键控技术。

4）几种常用的数字调制技术

数字载波键控信号的数学表达式为：

式中，ω为载波角频率，u（t）为键控信号的复包络，常称它为数字载波键控信号的等效基带信号，可把u（t）写为：

式中，a（t）为等效基带信号的模，φ（t）为幅角，x（t）为实部，y（t）为虚部。

不同的载波键控方式改变不同的参数，如：ASK中，信息载荷于a（t）上，正交载波键控载荷于x（t）、y（t），MPSK、FSK则载荷于φ（t）上。

数字调制是为了信号特性与信道特性相匹配，不同类型的信道特性将相应地存在不同类型的调制方式。数字调制的最终目的就是尽可能地减少占用带宽，尽可能地提高信号传输速率和质量。由于无线信道是时变色散信道，存在严重的多径和衰落等不利于数据传输的因素，因此选择适合于无线信道传输的数字调制方式是非常重要的。下面我们将简要介绍各种数字调制格式。

（1）相移键控（PSK）

PSK（Phase-Shift Keying）是调制时载波的相位随调制信号状态的改变而改变。PSK也可分为二进制PSK（2PSK或BPSK）和多进制PSK（MPSK）。

PSK可表示为：

式中，A0是基带信号幅度，ω0为载波角频率。

2PSK中，载波相位只有0和π两种取值，分别对应于调制信号的“0”和“1”，通过电平转换后变成由“-1”和“1”表示的双极性NRZ信号，然后与载波相乘，即可形成2PSK信号。

MPSK中最常用的是四相相移键控，即QPSK，在卫星信道中传送数字电视信号时采用的就是QPSK调制方式。它可看成是由两个2PSK调制器构成。输入的串行二进制信息序列经串/并变换后分成两路速率减半的序列，由电平转换器分别产生双极性二电平信号I（t）和Q（t），然后对载波A cos2πfct和A sin2πfct进行调制，相加后即可得到QPSK信号。例如，QPSK信号的发生，具体如图3-2所示。

图3-2　QPSK信号发生框图

发送的数据流经串/并变换、差分编码，然后用差分编码后的符号（二位）去控制四选一开关，对四相载波信号选相，然后经带通滤波器输出QPSK信号。

（2）频移键控（FSK）

FSK（Frequency-Shift Keying）是用不同频率的载波来传递数字消息。以数字信号序列去控制载波频率的变化，利用各个与载频f0相差Δf的多个频率的正弦振荡分别表示传号与空号，称为频移键控。FSK可表示为：(www.xing528.com)

式中，ω1=ω0+Δω为传号载波，ω2=ω0-Δω为空号载波，θn、φn分别为传号与空号载波的相位。它们在[-π，π]均匀分布。同时

图3-3　2FSK非相干接收机模型

例如，2FSK非相干接收机模型如图3-3所示，非相干接收是先经过一对带通滤波器BPF1和BPF2，它们的中心频率分别为f1和f2即分别对准传号和空号的频率，然后通过包络检波器解调。这两个检波器的输出由抽样判决电路进行判决。

判决方式为：如果f1支路输出的电压大于f2支路输出的电压，则判为“1”；否则判为“0”。因此，不需要像ASK那样，设置一个阈值电压。

（3）最小移频键控（MSK）

数字频率调制和数字相位调制由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大，因而频谱利用率较低。本节将讨论的MSK（Minimum Frequency Shift Keying）是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控（FFSK）。所谓“最小”，是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；而“快速”是指在给定的同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减得快。

MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为：

式中，等号右边的第一项是同相分量，也称为I分量；第二项是正交分量，也称为Q分量。cos（πt/2Ts）和sin（πt/2Ts）称为加权函数（或称调制函数）。cosφk是同相分量的等效数据，-Dkcosφk是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令Ik=cosφk，Qk=-Dkcosφk，可得：

图3-4　GMSK调制原理框图

例如，GMSK调制原理框图如图3-4所示。

由此可见，GMSK是在MSK调制器之前加入一高斯低通滤波器。此高斯低通滤波器需满足：

①带宽窄，且是锐截止的，其3 dB带宽为Bb，当BbTs趋于无穷时，GMSK就蜕变为MSK。

②具有较低的过冲脉冲响应。

③能保持输出脉冲的面积不变。

以上要求分别是为了抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏移以及进行相干检测所需要的。需要指出的是，GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误码率性能就变得越差，但是当BbTs=0.25时，误码率性能下降得并不严重。

（4）正交幅度键控（QAM）

正交振幅调制就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也开始引起人们的重视。

正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。正交振幅调制信号的一般表示式为：

式中，An是基带信号幅度，g（t-n Ts）是宽度为Ts的单个基带信号波形。

例如，对16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。两种具有代表意义的信号星座图如图3-5所示。在图3-5（a）中，信号点的分布成方形，故称为方形16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图3-5（b）中，信号点的分布成星形，故称为星形16QAM星座。

图3-5　正交振幅调制（QAM）的星座图