了解I / Q信号和正交调制

了解I / Q信号和正交调制 

来源 https://www.sohu.com/a/303481590_120111879

 

同相和正交

术语“I / Q”是“同相”和“正交”的缩写。不幸的是，我们已经有术语问题。首先，“同相”和“正交”本身没有任何意义; 相位是相对的，并且某些东西只能参考另一个信号或建立的参考点“同相”或“异相”。此外，我们现在将“正交”一词应用于信号和与该信号相关的调制/解调技术。

在任何情况下，“同相”和“正交”指的是具有相同频率且相位相差90°的两个正弦波。按照惯例，I信号是余弦波形，Q信号是正弦波形。如您所知，正弦波（没有任何附加相位）相对于余弦波移位90°。表达这个另一种方式是，正弦和余弦波正交。

首先要了解的是I / Q信号，它们总是经过幅度调制，而不是频率或相位调制。然而，I / Q幅度调制与第4章讨论的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，因此它们总是为正。换句话说，I / Q调制涉及通过调制可具有负电压值的信号来倍增I / Q波形，因此“幅度”调制可导致180°相移。在本页后面，我们将更详细地探讨这个问题。

振幅调制两个90°异相的正弦曲线有什么优势？为什么I / Q调制和解调如此普遍？继续阅读。

I和Q信号本身并不是很有趣。添加I和Q波形时会发生有趣的事情。事实证明，任何形式的调制都可以简单地通过改变幅度 - 仅I和Q信号的幅度 - 然后将它们加在一起来执行。

如果你取相同幅度的I和Q信号并加上它们，结果是一个正弦波，其相位恰好在I信号的相位和Q信号的相位之间。

换句话说，如果您认为I波形的相位为0°且Q波形的相位为90°，则求和信号的相位为45°。如果要使用这些I和Q信号来创建幅度调制波形，只需对单个I和Q信号进行幅度调制即可。显然，如果信号通过将两个信号相加而产生，则信号将增大或减小幅度，这两个信号的幅度都在增加或者都在减小。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，则会发生相移。这就把我们带到了I / Q信令的下一个属性。

从幅度到相位

以相移键控形式的相位调制是现代RF系统中的重要技术，并且可以通过改变I / Q信号的幅度来方便地实现相位调制。请考虑以下图表：

如您所见，增加其中一个波形相对于另一个波形的幅度会使求和信号向更高幅度的波形移动。这很直观：如果你消除了Q波形，例如，求和将一直移动到I波形的相位，因为（显然）将I波形加到零将导致相同的求和信号到I波形。

从上面的讨论可以看出，I / Q信令只能用于将信号移位90°（即每个方向45°）：如果Q幅度减小到零，则求和总是一直到I相; 如果I幅度减小到零，则总和一直到Q阶段。那么，我们如何使用I / Q信号来创建（例如）正交相移键控（QPSK），它使用的相位值范围为270°？我们将在下一节讨论这个问题。

正交调制

术语“正交调制”指的是基于两个正交信号的总和的调制。换句话说，它是基于I / Q信号的调制。我们将使用QPSK作为正交调制如何工作的一个例子，在此过程中我们将看到I / Q信号的幅度调制如何产生超过90°的相移。

这是QPSK调制器的基本框图。首先，处理数字数据流，使得两个连续的比特变为两个并行比特。这两个位都将同时传输; 换句话说，如本页所述，QPSK允许一个符号传输两个位。本地振荡器产生载波正弦波。本地振荡器信号本身变为I载波，并且施加90°相移以产生Q载波。I和Q载波乘以I和Q数据流，并且将这些乘法产生的两个信号相加以产生QPSK调制的波形。

I和Q数据流对I和Q载波进行幅度调制，并且如上所述，这些单独的幅度调制可用于在最终信号中产生相位调制。如果I和Q数据流是从地面延伸到某个正电压的典型数字信号，我们将对I和Q载波应用开关键控，并且我们的相移将在任一方向上限制为45°。然而，如果I和Q数据流是双极性信号 - 即，如果它们在负电压和正电压之间摆动 - 我们的“幅度调制”实际上是在输入数据为逻辑低时反转载波（因为负输入电压）乘以载波导致倒置）。这意味着我们将有四种I / Q状态：

• 我正常，Q正常
• 我正常和Q倒置
• 我倒了，Q正常
• 我颠倒了，倒Q了

在每种情况下，总和会产生什么？（请注意，在下面的图中，选择波形的频率，使得x轴上的秒数与度数的相移相同。）

I Normal和Q Normal

I Normal和Q Inverted

我倒立和Q正常

我倒立和Q倒置

如您所见，这四种情况下的求和产生了我们想要的QPSK信号：45°，135°，225°和315°的相移。

 

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