现代通信中，IQ调制基本上属于是标准配置，因为利用IQ调制可以做出所有的调制方式。但是在数字通信中得到广泛采用IQ调制？ IQ调制为什么叫 I 和 Q？IQ调制信号必须用IQ解调吗？IQ调制到底是怎么工作的，为什么需要星座映射? 今天我們专门研究一下这个问题。

首先要知道我们为什么要调制？

对于数字通信来说，调制使您能够使用窄频率带宽传输更多数据。基本的调制方案包括幅度、频率和相位调制。调制技术和元器件的持续改进以及纠错码的进步，促使信道容量更加接近香农定理设定的基础极限。那么，调制是什么意思？调制的分类？

调制是一种将需要传送的信号搬移到高频载波，实现频谱搬移的过程。

需要传送的信号是基带信号。最开始是语音信号，现在是数字化的各种数据，包括程序，图片，语音，视频。

要理解IQ信号，我們先区分下模拟调制、数字调制、OFDM调制这三个概念。

模拟调制可分为三种类型：调幅（AM）、调频（FM）、相位调制（PM）。

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调幅（AM）

调频（FM）

调频可让振幅维持恒定，并随时间改变波形频率（与音频信号成正比）。如果音频信号是正弦波，则在频域中，调频看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。您可以使用贝索（Bessel）函数来确认。记住，在频域中看起来可能与 AM 完全一样。

相位调制（PM）

相位调制PM 同样也可让振幅维持恒定，但依照相位改变波形。在时域中，它看起来与 FM 完全一样。有时 FM 和 PM 又称为角度调制，因为在时域中它们看来非常相似。在频域中，PM 看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。与调频一样，您可以使用贝索函数来确认这些旁波带。

数字调制

数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和/ 或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制( 基带) 信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见图7。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。

数字调制 - 基带信号是数字信号的调制方式

数字信号，就是只有有限种信息状态的信号。例如现在最基本的010101的信号，只有0和1两种状态的组合。

数字调制方式的进化，就是提升数据传输速率的方法！

让每一个周期发送的符号，包含更多信息，换言之要求离散的可选状态点增多

数字调制的数据点在一系列离散分布的点上转换，幅度和相位都发生改变，如果使用幅度和相位调制，系统会相当复杂。IQ调制将信号分为正交的信号，再分别进行幅度调制，更有利于电路的实现。

OFDM调制

正交频分多路复用 (OFDM) 调制是另一种常用的调制方案。很多最新的无线和电信标准都采用了这种策略，例如数字广播、xDSL、无线网络 和 5G 新空口 （NR) 蜂窝技术。

OFDM调制使用了多个重叠的射频载波。每个载波都在精心选择的频率上工作（这个频率与其他载波正交），并且采用了并行子载波方案，因此这种传输方案能够支持更高的比特率。此外，OFDM调制方案在频谱效率、灵活性和稳定度等方面都具有优势。

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IQ调制

基于具体的应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案，例如幅度调制(AM)、频率调制(FM) 或相位调制(PM) 来完成。不过在实际系统中，通常使用矢量调制(又称为复数调制或IQ调制) 作为替代。

什么是IQ调制？

调制信号可以使用幅度和相位（矢量）的极坐标来表示。IQ调制由于频谱效率较高，因而在数字通信中得到广泛采用。

IQ调制即两个正交信号（频率相同，相位相差 90 °的载波，一般用 Sin 和 Cos 表示）与 I（In-Phase，同相分量）、Q（Quadrature Phase，正交分量）两路信号分别进行载波调制后一起发射，从而提高了频谱利用率。对于仪表而言IQ调制分为内调制和外调制。

矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中，基带数字信息被分离成两个独立的分量: I ( 同相) 和Q ( 正交) 分量。

这些 I 和 Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量( 正交)。在下面的讨论中你将进一步了解 I 和 Q 分量，以及数字系统使用它们的原因。

理解和查看数字调制的简单方法是使用图12 所示的 IQ 或矢量图。

IQ调制原理

在大多数数字通信系统中，载波频率是固定的，因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考，根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。

相位和幅度可以作为 IQ平面中的虚线点在极坐标图矢量坐标图中表示。参见图13。

I 代表同相位( 相位参考) 分量，Q 代表正交( 与相位相差90 °) 分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算，来表示这个点。这就是 IQ调制的原理。

IQ调制使用了两个载波，一个是同相 (I) 分量，另一个是正交 (Q) 分量，两者之间有90。的相移(见图14）。

调制为什么使用 I 和 Q ?

数字调制使用 I 和Q分量，因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。

IQ域中的调制信号具有很多优势 :

• IQ的实现提供一种生成复信号(相位和幅度均改变) 的方法幅度。IQ调制器不使用非线性，难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到，基于基带和中频软件的LO 也是。为生成复调制信号，只需产生信号的基带 I 和 Q 分量。IQ调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。

• 信号的解调也同样简单明了。使用 IQ解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。

• 在 IQ平面上观查信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及 AM-PM 失真等用其它方法难以呈现的现象在 I-Q 平面上可以轻松查看。

星座图 - IQ平面的映射称为星座图

星座图和符号

星座图展示了 QAM 格式的可用符号。以 16QAM 格式为例，每个符号表示着四个二进制位的一种可能组合。对于这四个二进制位来说，总共可能有 16个组合。换言之，每个符号表示着四位。

为了提高数据带宽，我们可以增加每个符号表示的位数，这样可以提高频谱效率。不过，随着星座图中符号数量的增加，符号间的距离开始变小。符号越来越接近，因此就越容易受到噪声和失真的影响，出现错误。图15 展示了当从16QAM格式变为64-QAM格式时，符号密度的增加。

图15 16QAM和64QAM格式的星座图

将载波放入到 IQ平面预先确定的某个位置上，然后发射已编码信息。每个位置或状态( 或某些系统中状态间的转换) 代表某一个可在接收机上被解码的比特码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间( 接收机转换信号时) 在IQ平面的映射称为星座图。

一个符号号代表一组数字数据比特; 它们是所代表的数字消息的代号。每个符号号包含的比特数即每符号号比特数(bpsym) 由调制格式决定。例如，二进制相移键控(BPSK) 使用1 bpsym，正交相移键控(QPSK) 使用2 bpsym，而8相移键控(8PSK) 使用3 bpsym。理论上，星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响，会引起这些状态发生扩散( 每个状态周围有分散的点呈现)。

正交相移键控(QPSK)

8相移键控(8PSK)

在数字调制中，信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多，给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号号率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的16 QAM 格式使用每符号号 4 比特的速率。如果无线传输速率为16 Mbps，则符号率= 16 (Mbps) 除以 4 比特即 4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽 ( 4 MHz 相对16 MHz)。

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IQ调制和IQ解调

在数字通信中，IQ调制将已编码的数字I 和Q 基带信息放入载波中。参见图16。IQ调制生成信号的 I 和 Q 分量; 从根本上讲，它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。

IQ调制接受 I 和Q 基带信号作为输入，并将它们与相同的本地振荡器 (LO) 混合。注意，这个可能是数字( 软件) LO。下面，I 和 Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度度信息调制载波生成同相分量。Q 幅度度信息调制90° ( 直角) 相移的载波生成正交分量。这两种正交调制载波信号相加生成复合 I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号，随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。

以 90° 分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和 Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的，它们是同一信号的两个独立分量。虽然Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号，但不会对I 分量造成任何影响。同样地， I 输入的变化也不会影响到Q 信号。

IQ解调

如图15 所示，IQ解调是图14 所示的I1Q调制的镜像。IQ解调从复合 IQ调制输入信号中恢复原始的I 和 Q 基带信号。

解调过程的第一步是将接收机 LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复 I 和 Q 基带分量必须要把接收机 LO 锁相至发射机载波( 或混频器 LO)。随后，IQ调制载波与未相移的 LO 和相移90° 的 LO混合，生成原始的I 和Q 基带信号或分量。在矢量信号分析软件中，使用数学方法实现90° 相移。

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IQ调制信号必须用IQ解调吗？

在数字接收机中，合路信号携带幅度和相位 (I/Q)信息。到达接收端，输入信号和本振混频得到两路信号。任意一路设为0相位，另一路有90度相移。我们再次强调两路是独立的和正交的，互不干扰。这些就是基本的方法，把含有相位信息的矢量信号分解到I/Q正交两路信号。

解调过程中接收机必须完成信号载波恢复，才能正确解出I/Q 信息。

本振频率应跟踪发射信号载波的频率与相位，即需要进行载波同步。

输入信号和同相本振与90º相移的本振相乘进行下变频。当本振与被解调信号同频同相时，输出差频及和频分量。

当输入已调信号为

M (t) = I(t) cosωCt + Q(t) sinωCt

则 I/Q两路输出分别为

x1(t) = M(t) x 2cosωCt = 2[ I(t) cosωCt + Q(t) sinωCt ] cosωCt

= I(t) + I(t) cos2ωCt + Q(t) sin2ωCt

x2(t) = M (t) x 2sinωCt = Q(t) + Q(t) sin2ωCt + I(t) cos2ωCt

这时使用合适带宽的低通滤波器滤除2次谐波后，就可以选出频率较低的I(t)与 Q(t)调制信号。接下来就是对恢复的解调信号进行取样判决等处理，再进行并/串逆变换就可获得解调数据。从公式中可以看到只要保证I/Q正交，解调后的I/Q分量就不会相互干扰。

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主要IQ调制参数

调制方案

矢量信号的变化在 IQ图上可以用幅度、相位、频率或这些指标的组合来表示。这些幅度和相位的变化产生了不同的调制格式。由于数据是用二进制传输的，星座图中的点数必须为 2 的幂。最基本的数字调制格式为：

PSK（相移键控)
FSK（频移键控）
ASK（幅移键控）
QAM（正交幅度调制）

数字调制类型一变量

通信系统在基本调制方案中使用了三个主要变量。这些变量可以避免 IQ信号迹线通过零位（星座图的中心），从而在功率效率上占据优势。

图18    IQ调制变量

误差矢量幅度（EVM）

误差矢量是理想 IQ信号与被测信号之间的矢量差。EVM 只是这个误差矢量的幅度。误差矢量是本地振荡器的相位噪声、功率放大器的噪声以及 IQ调制器减损等因素共同作用的结果。

为了确保能够评测被测器件的 EVM 性能，您所使用的信号发生器的 EVM 性能害要比被测器件的预期EVM性能好 5 至10 dB.

例如，802.11 ax 发射机 EVM 标准要求1024 QAM 的 EVM 达到 -35dB。对于在设计验证中使用的信号发生器，其剩余 EVM 本底应低于 -45 dB。不过，在生产测试中，EVM 性能小于 -40 dB 就己经非常好了。

图19   误差矢量图解

图20    802.11 ax 星座图和误差概览

IQ减损

IQ减损可能会在您的设计中突然出现。当出现这种情况时，您需要仿真这些减损，以便对您的设计进行强化测试，或对信号路径上的时间和幅度变化予以补偿。您的信号发生器能鸲生成 IQ减损。使用下列 IQ调整来仿真您所需要的减损。IQ调整的使用情况与影响汇总请参见表1。

• IQ偏置：I 信号和Q信号的直流偏置

• 正交角度：Q信号相位相对于 I 信号相位的偏移

• IQ偏移：I 信号和Q信号之间的相对时延

• IQ增益平衡：相对于Q信号幅度的 I 信号幅度

• IQ相位：通过同时旋转 I 信号和Q信号，获得内部IQ信道的绝对相位

表 1 IQ调整的使用情况

除了IQ调整之外，您还可以向载波添加相位噪声减损或 AM/FM 以仿真不完美信号，或向调制信号添加 AWGN 作为干扰源，以便您进行设计验证。

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“同相正交调制或 IQ调制是通信应用中的主要调制方案。它对带宽的有效利用是我们这个数据饥渴世界中面临的一个关键挑战，这使得 IQ调制成为必需。使用模拟 IQ信号进行测试至关重要，因为设计人员在充满干扰的频谱中面临带宽紧缩。

作为设计工程师，您需要测试设计的极限以确保实际性能。为此，您需要生成一个理想信号，以高质量、已知良好的信号来测试设计的性能。通过向信号添加实际特性，您可以在非理想条件下测试您的设计。

如果您想创建 IQ信号，您需要一个具有足够带宽和高信号完整性的波形发生器。您还希望确保能够快速轻松地生成 IQ信号来模拟非理想条件。带有内置 IQ信号播放器选项的 Keysight Trueform 系列波形发生器具有测试设计所需的功能。”

需要更多信息，您可访问：是德科技 www.keysight.com.cn