第1讲 数字射频通信简介
1.1 数字调制和矢量调制
我们先回顾一下矢量调制和数字调制。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。参见下图。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。
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 I-Q调制)作为替代。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1-2所示的I-Q矢量图。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I-Q平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见图1-2。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I-Q调制的原理。
将载波放入到I-Q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I-Q平面的映射称为星座图。参见图1-3。一个符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。每个符号包含的比特数即每符号比特数(bit)由调制格式决定。例如，二进制相移键控(BPSK)使用1 bit，正交相移键控(QPSK)使用2 bit，而8相移键控(8PSK)使用3bit。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)。图1-3显示了16 QAM格式(16正交幅度度调制)的星座图或状态图; 注意，此时有16 个可能的状态位置。该格式使用4 比特数据串，编码为单个幅度/相位状态或符号。为了产生这一调制格式，基于被传输的代码，I和Q 载波都需采用4个不同的幅度度电平。
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。符号率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的16QAM格式使用每符号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)。
1.2 I-Q调制解调
在数字通信中，I-Q调制将已编码的数字I和Q基带信息放入载波中。参见图4。I-Q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。
I-Q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幅度信息调制载波生成同相分量，Q幅度信息调制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。
如图1-5所示，I-Q 解调是图1-4所示的I-Q调制的镜像。I-Q解调从复合I-Q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，I-Q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。
从根本上讲，I-Q解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换，信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图1-2。这种转换与I-Q解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。
文章来源：威视锐科技
