「硬件工程师必读」怎样了解IQ？

1. 什么是IQ ？

回复这个成绩不得不提图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调制完成了标记到矢量坐标系的映射，即每一个标记对应唯一的坐标点，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，通常默许最大的幅度为1，比如图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干系，在无线通讯中通常将实部称为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。

数字调制完成了标记到星座点的映射，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由于具有IQ 调制功效，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 坐标系实质上就是复坐标系，只是在数字调制历程中称之为IQ 坐标系，以便于完成调制。

2. 为什么引入IQ 调制？

由于对数据速率要求不高，开始的无线通讯基本都是接纳模仿调制办法，好比AM/ FM/PM等。在相当长一段时间内，市场需求并没有大范围驱动通讯武艺的提高。但是随着卫星通讯以及一局部通讯业务需求的激增，传统的模仿调制显然以前无法满意速率要求，必必要寻求支持更高数据速率的调制武艺。

实践证实，IQ 调制武艺可以承继此重担，我们不去穷究何时引入IQ 调制武艺，而是把目光聚焦在IQ 调制与传统的调制比拟有哪些上风。

之以是接纳IQ调制，主要思索到如下上风：

(1) IQ调制可以经过提高标记速率大概接纳高阶调制完成更高的数据速率，十分便利机动，这是传统的模仿调制所远远不及的。

(2) 完成高速通讯时，IQ 调制愈加易于完成。IQ 调制可以十分便利地将标记映射至矢量坐标系中，从而完成数字调制；同理，在吸收侧也可以十分便利地依据标记映射解调出原始数据比特流。

(3) IQ 调制具有更高的频谱使用率。怎样了解呢？

这一上风是干系于平凡调制而言的，从整个IQ 调制历程来看，I 路大概Q 路都是平凡调制，IQ 调制实践上是两个特别平凡调制的构成。图2给出了IQ 调制器架构表现图，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干系。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。

为了具有广泛实用性，假定IQ 调制的数据源为伪随机码，此时基带I 信号和基带Q 信号的频谱是相反的，带宽均为B，二者均携带信息并且信息量相反。IQ 调制接纳零中频架构，每一块上变频之后带宽翻倍至2B，但是携带的信息安定。合路后，射频调制信号带宽仍旧为2B，但是干系于单路调制而言，携带的信息量翻倍了。因此，IQ调制具有更高的频率使用率！

图2. IQ 调制器表现图

为了便于了解，底下以QPSK调制为例进一步分析。从效能上讲，QPSK调制相当于两路BPSK调制的构成，I 路调制为一块BPSK，Q 路调制为另一块BPSK。如前所述，I 路调制和Q 路调制均为平凡调制。从带宽上看，QPSK对应的射频调制信号带宽与I 或Q 路BPSK调制信号带宽相反；但是从数据速率上看，QPSK调制是BPSK调制的两倍。因此，IQ 调制干系于平凡调制具有更高的频率使用率！

图3. QPSK调制相当于两路BPSK调制的构成

(4) IQ调制接纳零中频架构，颠末调制之后无需使用滤波器克制镜频边带，计划愈加机动便利。关于别的收发机架构，好比超外差架构，由于中频不为0，颠末上变频后，会存在较强的边带分量，还必要专门的镜频克制滤波器举行滤波，这将使得计划愈加繁复。

正是基于以上主要上风，IQ 调制使用才越来越广泛，几乎现在一切的无线通讯中都离不开这种调制武艺！

3. 数字调制中的标记速率与比特率之间有什么样的干系？

起首了解一下数字调制中“标记”的看法。前方提到，数字调制就是将0和1比特流数据依照一定的端正映射至IQ 坐标系上，在完成映射之前必要将比特流构成标记，因此，数字调制就是将标记映射至IQ 坐标系的历程。

每一个标记都是由比特0和/或1构成，好比：0 / 1 / 00 / 01 / 1001 / 10101……，这些都可以称为标记。一个标记最少包含一个bit信息，具体由调制办法决定。

标记映射至星座点上，意味着标记要与星座点逐一对应，要完成这一点，必必要求星座点数目M与一个标记包含的比特数目N满意如下干系：

M=2N, N=log2M

假如不满意这一点，就无法完成标记与星座点之间的映射。好比，假定存在某种调制办法，具有5个星座点，思索两种情况：

(1) 假如一个标记包含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，为什么该调制办法不思索计划为4个星座点？

(2) 假如一个标记包含3比特信息，则最多包含000 / 001 / 010 / 011 / 100 / 101 / 110 / 111八种组合，怎样完全映射至5个星座点上？既然无法完全映射，那么又怎样确保信息传输的完备性？

标记速率与比特率之间有什么干系呢？

标记速率(Symbol rate)就是单位时间内传输的标记的个数，假如一个标记包含N个比特，则对应的比特率(Bit rate) 为标记速率的N倍。

Bit rate=Symbol rate ×N

图4给出了常用的三种PSK调制办法的星座图：BPSK，QPSK和8PSK。依照上述结论，BPSK调制的比特率与标记速率相反，QPSK调制的比特率是标记速率的两倍，8PSK调制的比特率是标记速率的三倍。

图4. 三种常用PSK调制的星座图

小结

本文的目标就是解答初次交往数字IQ调制时约莫会碰到的一些疑惑，先容的内容都比力基本，以便于更好的了解数字IQ调制。文中偏重先容了IQ的看法、IQ调制的上风以及标记速率与比特率之间的干系，这些都是数字IQ调制的基本内容。在此基本之上，后方将连续推出一系列的文章先容IQ调制武艺，这些都是作者多年的积累和总结，渴望对各位有所协助。

作者：Knight