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军视光启■理解数字通信系统中的IQ信号和正交调制技术

本文的目的：了解“I/Q”信号 ， 如何使用以及为什么它们在RF系统中具有优势 。
如果没有有关正交解调方面的文章 ， 则本文将不完整 。 但是 ， 在探讨正交解调之前 ， 我们至少需要简要地讨论一下正交调制 。 而在讨论正交调制之前 ， 我们需要了解I/Q信号 。
同相和正交
术语“I/Q”是“同相（“in-phase”）”和“正交”（“quadrature”）的缩写 。 不幸的是 ， 我们已经遇到了术语上的问题 。 首先 ， “同相”和“正交”本身没有意义 。 相位是相对的 ， 相对于另一个信号或已建立的参考点 ， 某些东西只能是“同相”或“异相” 。 此外 ， 我们现在将“正交”一词应用于某种信号以及与该信号相关的调制/解调技术 。
无论如何 ， “同相”和“正交”是指两个具有相同频率并且相差90°的正弦波 。 按照惯例 ， I信号是余弦波形 ， 而Q信号是正弦波形 。 如您所知 ， 正弦波（没有任何附加相位）相对于余弦波偏移90° 。 另一种表达方式是正弦波和余弦波相互正交 。
了解I/Q信号的第一件事是它们始终是幅度调制的 ， 而不是频率或相位调制的 。 但是 ， I/Q幅度调制与之前我们在文章中讨论的AM技术不同：在I/Q调制器中 ， 调制I/Q正弦波的信号不会移位 ， 因此它们始终为正 。 换句话说 ， I/Q调制涉及通过调制可能具有负电压值的信号来倍增I/Q波形 ， 因此“幅度”调制可能会导致180°相移 。 在本文的后面 ， 我们将更详细地探讨此问题 。
对两个相位相差90°的正弦波进行幅度调制有什么好处？为什么I/Q调制和解调在数字通信系统中应用如此普遍？请继续阅读 。
I/Q信号的求和
I和Q信号本身并不是很有趣 ， 但是当I和Q波形相加时 ， 就会发生有趣的事情 。 事实证明 ， 只要改变I和Q信号的幅度 ， 对的 ， 没错 ， 仅仅是幅度 ， 然后将它们加在一起 ， 就可以执行任何形式的调制 。
如果取等幅的I和Q信号并将其相加 ， 其结果则是一个正弦波 ， 其相位恰好是在I信号的相位和Q信号的相位之间 ， 如下图所示：
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等幅的I和Q信号相加之后的结果
换句话说 ， 如果您将I波形的相位设为0° ， 将Q波形的相位设为90° ， 则求和信号的相位将变为45° 。 如果要使用这些I和Q信号创建幅度调制的波形 ， 只需对单个I和Q信号进行幅度调制 。 显然 ， 如果信号是通过将两个幅度都增大或都减小的信号相加而创建的 ， 则合成之后的信号幅度将相应地增大或者减小 。 但是 ， 必须确保应用于I信号的幅度调制与应用于Q信号的幅度调制相同 ， 因为如果它们不相同 ， 则将发生相移 。 这将为我们引入I/Q信号的下一个特性 。
从幅度到相位
以相移键控形式出现的相位调制是现代RF系统中的一项重要技术 ， 并且可以通过改变I/Q信号的幅度方便地实现相位调制 。 考虑下面的图示：
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改变I/Q信号的幅度方便地实现相位调制
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改变I/Q信号的幅度方便地实现相位调制
如您所见 ， 增大其中一个波形相对于另一个波形的幅度会导致求和信号向更高幅度的波形偏移 。 这具有直观的意义：例如 ， 如果消除了Q波形 ， 则求和将一直移到I波形的相位 ， 因为（显然）将I波形加到零将导致求和信号成为与I波形相同的信号 。
从上面的讨论中可以看出 ， I/Q信令只能用于将信号移位90°（即 ， 每个方向上为45°）：如果Q信号的幅度减小到零 ， 则求和信号直接到I相位;如果将I信号的幅值减小到零 ， 则求和信号直接到Q相位 。 那么 ， 我们如何使用I/Q信号来创建（例如）正交相移键控（QPSK） ， 同时让它覆盖270°范围的相位值？我们将在下一部分中对此进行讨论 。


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