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數字調制系列:IQ調制及解調簡述

2020-05-05 來源:微波射頻網作者:Knight 我要評論(0) 字號:

前面在文章數字調制系列:如何理解IQ數字調制系列:IQ 基本理論中介紹了IQ的概念、常用數字調制方式及映射星座圖等內容,當完成數字比特流到IQ 坐標系的映射后,便可以得到數字I 和Q 信號,然后分別經過DAC 變換為模擬I 和Q 信號,最后經過IQ 調制器完成上變頻,圖1給出了數字調制的簡要架構示意圖。作為整個數字調制發射系統的關鍵部件,IQ 調制器完成了基帶信號的頻譜搬移,從而達到空口傳輸的條件。

什么是IQ 調制器?IQ 調制器如何工作?接收側如何解調出IQ信號?本文將給出具體介紹。

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圖1。 數字調制發射系統架構示意圖

1. 什么是IQ 調制器?

圖2給出了IQ 調制器的簡要架構示意圖,通常包含四個端口:模擬I 輸入端口,模擬Q 輸入端口,LO (本振) 端口以及射頻輸出端口。有的IQ 調制器還支持差分模擬I/Q 輸入,因此具有更多的端口。IQ 調制器包括兩個對稱的支路,每個支路包含一個Mixer (上變頻);兩個Mixer 的LO 同源,但是要求正交,即存在90°相位差。

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圖2. IQ調制器架構示意圖

IQ 調制器具有三個比較關鍵的性能指標:

(1) 整個帶寬內的頻率響應;

(2) 兩個支路間的幅頻響應對稱性(IQ增益平衡)

(3) 兩路LO 信號的正交性。

缅甸玉和国际這些指標的優劣將直接影響信號調制質量的好壞。IQ 調制器的頻率響應包括幅頻響應和相頻響應,對于理想的線性時不變系統(LTI),幅頻響應是平坦的,相頻響應是線性的,信號可以無失真的傳輸。因此,頻響性能越好,調制質量越高,從系統的角度講,BER 越低。

為什么要強調IQ 調制器兩個支路間的幅頻對稱性呢?如果兩個支路的頻率響應不同,就會造成IQ 不平衡傳輸,當產生中心頻率與IQ 調制器LO 頻率不同的信號時,鏡頻分量抑制效果會變差。因此,需要控制IQ 調制器支路間的幅頻特性差異。

類似地,兩個Mixer 的LO 正交性也將會影響鏡頻抑制能力。如果完全正交,則不會對鏡頻抑制能力有影響。當偏離正交時,鏡頻分量會增強。

如果模擬IQ 調制器的特性不是很理想,勢必會影響信號的調制質量。但是,可以通過源端預失真來補償,從而改善信號質量,比如矢量信號源中允許調整I/Q Imbalance 及I/Q Quadrature 參數等。

2. 發射端調制器是如何實現IQ調制的?接收端解調器又是如何實現IQ解調的?

此處信號的調制與解調,僅限于模擬IQ 信號到RF,再從RF 信號解調出模擬IQ 信號。通過下面的介紹,除了調制與解調的過程,您還將會了解為什么基帶I 和Q 信號的帶寬經過IQ 調制器后會翻倍。

為了便于理解,首先介紹一下信號的單邊帶頻譜與雙邊帶頻譜。這兩種頻譜都可以準確描述信號的頻譜,但是出發點不同,應用場景也不同。   

任何一個周期信號,只要滿足狄里赫利條件,均可以寫為一組完備正交集函數的無窮級數。通常完備的正交集函數為三角函數,比如{cos(n Ωt );sin(n Ωt ),n 為任意非負整數};根據歐拉公式,三角函數與虛指數函數存在一定的關系,因此周期信號也可以寫為虛指數函數的無窮級數。

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如果按照三角函數級數展開,則對應的頻譜為單邊帶頻譜,如果按照虛指數函數級數展開,則對應的頻譜是關于零頻左右對稱的頻譜,此時稱為雙邊帶頻譜。由于運算更加方便,雙邊帶頻譜應用更加廣泛。

對于調制應用而言,涉及到頻譜的搬移,因此采用雙邊帶頻譜更加方便。下文所涉及的頻譜,均指雙邊帶頻譜。雙邊帶頻譜包括負頻率成分,沒有具體物理意義,但是從數學角度講,這些又是構成傅里葉變換的必不可少的組成部分。

圖2所示的IQ 調制器,在上變頻的過程中,兩個Mixer 實際上起到乘法器的作用,即i(t) 與cos(ωct )相乘,q(t) 與sinct) 相乘,最后合為一路輸出。

假設I(ω) Q(ω) 分別為i(t) q(t) 的傅里葉變換,而三角函數的傅里葉變換為

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根據頻域卷積定理可得:

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由此可見,i(t) q(t) 經過混頻器后,從傅里葉的角度看,其雙邊帶頻譜發生了搬移,中心頻率由DC 搬移至ωc。傅里葉變換的產物中還包含(-ωc)頻率成分,如前所述,負頻率不具有實際物理意義,但是作為傅里葉變換的重要組成部分,構成了整個變換的數學完整性。

虛數 j 的存在表明,兩部分信號之間的載波存在90°相差,二者保持正交。

缅甸玉和国际以上數學推導也可以由圖解完成,圖3給出了正、余弦函數的傅里葉變換示意圖,模擬IQ 信號經過調制器后,頻譜變換示意圖如圖4所示。

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圖3. 正、余弦三角函數的傅里葉變換

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圖4. IQ調制頻譜變換示意圖

因采用雙邊帶頻譜描述信號,i(t) q(t) 實際帶寬為雙邊帶頻譜帶寬的一半,由上述推導可知,當經過IQ調制器上變頻之后,整個雙邊帶頻譜搬移至射頻,故輸出的信號s(t) 的帶寬相對于基帶模擬IQ信號的帶寬翻倍了。

在接收側,射頻調制信號可經過模擬IQ解調器解調,經過低通濾波器之后分別得到模擬I 和Q 信號。數學推導與IQ調制類似,此處不再贅述。圖5給出了IQ解調器的整個圖解過程,非常清晰地表明了如何由射頻信號得到模擬IQ信號。

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圖5。 IQ解調頻譜變換示意圖

3. IQ調制與解調的實現方法有哪些?

前面介紹調制及解調過程時,默認是按照模擬IQ調制/解調器介紹的。現實中絕大多數數字調制發射系統均是采用了模擬IQ 調制器,從測試設備的角度講,矢量信號源也是采用了模擬IQ 調制器的架構。盡管如此,IQ 調制功能也是可以通過數字的方式實現的,稱為數字IQ調制器,在數字側完成符號映射及IQ 調制,從而得到具有載波的波形,最后經過DAC 直接播放出來。任意波信號發生器(AWG) 產生數字調制信號就是采用這種方式,但是DAC的時鐘頻率決定了能夠輸出的最高信號頻率。

類似地,模擬IQ 解調器的功能也可以由數字方式實現,稱為數字下變頻。而且相對于模擬解調器而言,數字下變頻應用更加廣泛。其基本思路為:射頻信號經過下變頻至IF 頻段,然后經過ADC 直接離散化,對離散的數據作數字下變頻便可以得到數字IQ 信號,最后對IQ 數據進一步分析。現在的矢量信號分析儀基本都是采用這個架構,有的矢量信號分析采用示波器及分析軟件的方案,也是應用了數字下變頻技術,如圖6所示,示波器的最大優勢就是支持更高帶寬信號的分析,這是矢量信號分析儀所遠遠不及的。

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圖6. 矢量信號分析架構示意圖

小結

之前的文章介紹了關于IQ 和數字調制方式的基本概念,本文繼續深入剖析數字調制,重點介紹了數字調制過程中的關鍵部件——IQ 調制器及其特性,并從解析和圖解兩個方面詳細描述了IQ 調制與解調的過程,以便于理解數字調制。對于目前常用的IQ 調制與解調的實現方式,文末也給出了相應的說明。

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