数字调制:为什么要做IQ调制解调?

1、为什么需要调制？

调制就是把要传递的信号“搬运”到规定的频率附近，从技术上说，天线的尺寸和电磁波的波长差不多的时候，才能获得较高的发射效率，假设信号是10MHz,那么波长为30m，这么长的天线显然是不现实的。因此需要把信号调制到较高的频率，减少天线的尺寸，从频谱方面上说，频谱是一个国家的资源，有专门的机构进行管理，想用哪一段频谱需要向管理部门申请。基于以上原因，都需要把信号调制到特定的载波频率上去。

调制也即是频谱搬移的过程，如下所示：

假定s(t)是一个余弦信号：

调制就是乘上一个角频率wc=2*pi*fc的余弦信号，得到要发射的射频信号为：

例如s(t)为10KHz,载波为10MHz，则调制后的信号频率成分为9.99MHz和10.01MHz。

2.IQ概述

(1)什么是IQ调制

简单的讲，数字IQ调制的过程就是将原始比特流数据按照一定的规则映射到IQ坐标系的过程，IQ坐标系本质上就是复数坐标系，映射完成后将得到I和Q两路信号，然后相加得到要发射的射频信号，如下所示：

(2)为什么要引入IQ

 •IQ调制可以通过提高符号速率或者采用高阶调制实现更高的数据速率，例如16QAM,64QAM,256QAM等，非常灵活方便。

 •IQ调制具有更高的频谱利用率。IQ调制采用零中频架构，每一路上变频之后带宽翻倍至2B，但是携带的信息不变。合路后，射频调制信号带宽仍然为2B，但是相对于单路调制而言，携带的信息量翻倍了。因此，IQ调制具有更高的频率利用率！

• 在实现高速通信时，IQ调制更加容易实现。IQ调制可以非常方便地将符号映射到矢量坐标系中，从而完成数字调制，省掉了希尔变换这样一个环节，虽然带宽仍然和双边带信号相同，但是传递的信息也增加了一倍。

(3)IQ基本理论

IQ调制是一种新颖的数字调制方式，有调幅(振幅键控ASK)，调相(相移键控PSK)，调频(频移键控FSK)，三种基本形式和既有幅度又有相位的QAM调制(正交幅度调制)。

这几种调制解调方式的相关内容将在后续的系列文章中具体介绍。

3.IQ调制解调

任何一个周期信号，只要满足狄利赫里条件，均可以写为一组完备正交集函数的无穷级数，通常完备的正交集函数为三角函数，例如{cos(nwt)，sin(nwt)，n为任意非负整数}。

根据欧拉公式

三角函数与虚指数函数存在一定的关系，如果按照三角函数级数展开，则对应的频谱为单边带频谱，如果按照虚指数函数级数展开，则对应的频谱是关于零频左右对称的频谱，此时称为双边带频谱。由于运算更加方便，双边带频谱应用更加广泛。

对于调制，涉及到频谱的搬移，因此采用双边带频谱更加方便，双边带频谱包括负频率成分，没有具体物理意义，但是从数学角度讲，这些又是构成傅里叶变换的必不可少的组成部分。

IQ调制属于双边谱，在上变频的过程中，两个Mixer实际上起到乘法器的作用，即i(t) 与cos(wct )相乘，q(t) 与sin(wct) 相乘，最后合为一路输出，假设I(w) 和Q(w) 分别为i(t) 和q(t) 的傅里叶变换，根据频域卷积定理可得

i(t)和q(t)经过混频器后，从傅里叶的角度看，其双边带频谱发生了搬移，中心频率由DC 搬移至wc。傅里叶变换的产物中还包含(-wc)频率成分，如前所述，负频率不具有实际物理意义，但是作为傅里叶变换的重要组成部分，构成了整个变换的数学完整性。

虚数j的存在表明，两部分信号之间的载波存在90°相差，二者保持正交。

IQ信号经过调制器后，频谱变换如下：

在接收侧，射频调制信号可经过IQ解调器解调，经过低通滤波器之后分别得到I 和Q 信号。IQ信号的解调过程如下：