数字调制系列：如何理解IQ ？

最近在筹划写一系列关于数字IQ 调制的短文，以帮助初学者能够更好地理解和掌握。虽然IQ 调制技术已经非常广泛地应用于各种无线通信应用中，但是究其细节，仍有很多人存在疑惑，尤其对于初学者。作者从事测试工作多年，对IQ 调制略有体会，整理下来分享给大家，希望对大家有所帮助。

作为数字IQ 调制系列的首篇文章，本文将主要介绍IQ 的概念，IQ 调制的优势以及符号速率与比特率之间的关系。

1. 什么是IQ ？

回答这个问题不得不提图1所示的矢量坐标系(复坐标系)，横轴为实部，纵轴为虚部。数字IQ调制完成了符号到矢量坐标系的映射，即每一个符号对应唯一的坐标点，该坐标点称为星座点。每一个星座点与原点构成了一个矢量，具有幅度和相位信息，在IQ 调制中，通常默认最大的幅度为1，例如图1所示的星座点确定的矢量幅度为1、相位为45°。

矢量坐标系上任何一个点均具有实部和虚部，实部与虚部是正交的关系，在无线通信中通常将实部称为I(n-phase)分量，将虚部称为Q(uadrature)分量。这就是术语IQ 的由来，该矢量坐标系也可以称为IQ 坐标系。

数字调制完成了符号到星座点的映射，每个映射点对应一个I 分量和一个Q 分量，二者构成一个矢量，因此数字调制又称为矢量调制。通常提到的矢量信号源就是因为具有IQ 调制功能，才称之为矢量信号源。

图1. IQ矢量坐标系

综上所述，I 和Q 就是IQ  坐标系上坐标点的横坐标值和纵坐标值，IQ 坐标系本质上就是复坐标系，只是在数字调制过程中称之为IQ 坐标系，以便于实现调制。

2. 为什么引入IQ 调制？

由于对数据速率要求不高，起初的无线通信基本都是采用模拟调制方式，比如AM/ FM/PM等。在相当长一段时间内，市场需求并没有大规模驱动通信技术的进步。但是随着卫星通信以及个人通信业务需求的激增，传统的模拟调制显然已经无法满足速率要求，必须要寻求支持更高数据速率的调制技术。

实践证明，IQ 调制技术可以担当此重任，我们不去深究何时引入IQ 调制技术，而是把目光聚焦在IQ 调制与传统的调制相比有哪些优势。

之所以采用IQ调制，主要考虑到如下优势：

(1)   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，非常方便灵活，这是传统的模拟调制所远远不及的。

(2)   实现高速通信时，IQ 调制更加易于实现。IQ 调制可以非常方便地将符号映射至矢量坐标系中，从而完成数字调制；同理，在接收侧也可以非常方便地根据符号映射解调出原始数据比特流。

(3)   IQ 调制具有更高地频谱利用率。如何理解呢？

这一优势是相对于普通调制而言的，从整个IQ 调制过程来看，I 路或者Q 路都是普通调制，IQ 调制实际上是两个特殊普通调制的合成。图2给出了IQ 调制器架构示意图，每一个支路上都包含一个上变频器，二者共用一个本振源，只是两路本振信号是正交的关系。上变频之前的输入信号称为基带I 信号和基带Q 信号，上变频且合路之后的信号通常称为射频调制信号。

为了具有普遍适用性，假设IQ 调制的数据源为伪随机码，此时基带I 信号和基带Q 信号的频谱是相同的，带宽均为B，二者均携带信息而且信息量相同。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！

图2.  IQ 调制器示意图

为了便于理解，下面以QPSK调制为例进一步说明。从效能上讲，QPSK调制相当于两路BPSK调制的合成，I 路调制为一路BPSK，Q 路调制为另一路BPSK。如前所述，I 路调制和Q 路调制均为普通调制。从带宽上看，QPSK对应的射频调制信号带宽与I 或Q 路BPSK调制信号带宽相同；但是从数据速率上看，QPSK调制是BPSK调制的两倍。因此，IQ 调制相对于普通调制具有更高的频率利用率！

图3.  QPSK调制相当于两路BPSK调制的合成

(4)   IQ调制采用零中频架构，经过调制之后无需使用滤波器抑制镜频边带，设计更加灵活方便。对于其它收发机架构，比如超外差架构，由于中频不为0，经过上变频后，会存在较强的边带分量，还需要专门的镜频抑制滤波器进行滤波，这将使得设计更加复杂。

正是基于以上主要优势，IQ 调制应用才越来越广泛，几乎目前所有的无线通信中都离不开这种调制技术！

3. 数字调制中的符号速率与比特率之间有什么样的关系？

首先了解一下数字调制中“符号”的概念。前面提到，数字调制就是将0和1比特流数据按照一定的规则映射至IQ 坐标系上，在完成映射之前需要将比特流构成符号，因此，数字调制就是将符号映射至IQ 坐标系的过程。

每一个符号都是由比特0和/或1构成，比如：0 / 1 / 00 / 01 / 1001 / 10101……，这些都可以称为符号。一个符号至少包含一个bit信息，具体由调制方式决定。

符号映射至星座点上，意味着符号要与星座点一一对应，要实现这一点，必须要求星座点数目M与一个符号包含的比特数目N满足如下关系：

M=2^N,   N=log₂M

如果不满足这一点，就无法实现符号与星座点之间的映射。比如，假设存在某种调制方式，具有5个星座点，考虑两种情况：

(1)   如果一个符号包含2比特，则最多包含00 / 01 / 10 / 11四种组合，会有一个星座点用不上。既然用不上，为什么该调制方式不考虑设计为4个星座点？

(2)   如果一个符号包含3比特信息，则最多包含000 / 001 / 010 / 011 / 100 / 101 / 110 / 111八种组合，如何完全映射至5个星座点上？既然无法完全映射，那么又如何保证信息传输的完整性？

符号速率与比特率之间有什么关系呢？

符号速率(Symbol rate)就是单位时间内传输的符号的个数，如果一个符号包含N个比特，则对应的比特率(Bit rate) 为符号速率的N倍。

Bit rate=Symbol rate ×N

图4给出了常用的三种PSK调制方式的星座图：BPSK，QPSK和8PSK。按照上述结论，BPSK调制的比特率与符号速率相同，QPSK调制的比特率是符号速率的两倍，8PSK调制的比特率是符号速率的三倍。

图4.  三种常用PSK调制的星座图

小结

本文的目的就是解答初次接触数字IQ调制时可能会遇到的一些疑惑，介绍的内容都比较基础，以便于更好的理解数字IQ调制。文中着重介绍了IQ的概念、IQ调制的优势以及符号速率与比特率之间的关系，这些都是数字IQ调制的基本内容。在此基础之上，后面将陆续推出一系列的文章介绍IQ调制技术，这些都是作者多年的积累和总结，希望对大家有所帮助。