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老奶奶都看得懂的IQ信号

 zeroneroad 2016-03-06

一、在通信系统中,(语音信号)就是调制和解调所要传送的信息。
而在数字通信系统中,传送的信息是数据。数字调制是将数据数据载在射频载波的过程,而解调则是将数据数据从射频信号中取出的过程。
射频载波信号A cos(2πfct+θ)可供改变的参数只有振幅、频率和相位三种。

改变载波振幅的调变方式称为调幅(AM);
改变载波频率方式称为调频(FM);
改变载波相位的调变方式称为相位调变(PM)。

由于相位的微分即是频率,所以载波信号的振幅和相位可以说是两个主要的调制变量。如果把调制中载波振幅和相位的信息记录下来,即A与θ,并以二维空间的两个变量分别代表振幅和相位,那么极坐标上任意点到原点的距离和相角,正好可以代表载波的振幅和相位,也可以说是代表载波的被调制情况。

极坐标方式的调制表示方法可转化为直角坐标方式,也就是I-Q图。载波振幅和相位可记录为二维空间上的一点,而这一点所代表的向量,在横轴和纵轴上的投影分别为I值和Q值。I为同相位(In-phase)分量,代表向量在横轴上的投影;Q为90度相移(Quadrate)分量,代表向量在纵轴上的投影。这样调制后的数据就分成了两路,同相(I)和正交(Q)分量,这两个分量是正交的,相位相差90度,并且互不相干。调制后我们再分开处理IQ两路,进行中频和射频处理,最后再DAC前合成一路(相加),然后天线发射。在接收端用正交调制相反算法分出IQ两路,分别处理,然后又变成一路供CPU处理。其实这里的调制方式属于通信技术中常用的相干调制的范畴,当然相干调制不一定是正交的,正交适应于BPSK、QPSK中,8PSK等八相以上调制。

特点:1.从传输线角度来看,I/Q信号是一种双线传输模式,能量主要集中在两线之间。与外界关系不大。以此可以抗击共模干扰。当然,双线间回路面积要小些是前提。
      2.IQ信号本身和抗干扰没多大关系,现代通信系统为了使频谱利用率更高,所以用了许多种矢量调制,如BPSK、QPSK、QAM等等。作为复信号,可以应用单边带形式,节省了信道资源。
      3.可以作为复信号使用,这样在解决很多问题时,会非常方便,比如,我们在仿真中通常可以使用复信号来所运算,这里的I路就是复信号的实部信号,Q路就是复信号的虚部信号。同时对于数字信号而言是不会区分一个信号是不是矢量的,所以采用IQ调制这种方式,应很好地使数字和模拟之间塔起了矢量的桥梁。
      4.将数据分为I、Q正交的两路来传输,可以降低每路的传输速率为一半,这样可以在低速率信道上传输。

二、当前的数字射频芯片,无一例外的用到了I/Q信号,就算是RFID芯片,内部也用到了I/Q信号,然而绝大部分射频人员,对于IQ的了解除了名字之外,基本上一无所知。
网上有大量关于IQ信号的资料,但都是公式一大堆,什么四相图,八相图之类的,最后还是不明白,除了知道这两个名次解释:
I:in-phase  表示同相
Q:quadrature 表示正交,与I相位差90度。

国内的教学首先是老师根本不懂实践,之后只能按照书本讲公式,其实老师自己什么都不懂,很多人都说老师只懂理论,若老师真的懂理论,那教育就不是现在这个局面了,实际上老师不仅仅不懂实践,更不懂理论,只是照本宣科吧了。

现在来解释 IQ 信号的来源:最早通讯是模拟通讯,假设载波为cos(a),信号为cos(b),那么通过相成频谱搬移,就得到了cos(a) * cos(b) = 1/2[cos( a + b) - cos(a - b) ]

这样在a载波下产生了两个信号,a+b和a-b,而对于传输来说,其实只需要一个信号即可,也就是说两者选择一个即可,另外一个没用,需要滤掉。但实际上滤波器是不理想的,很难完全滤掉另外一个,所以因为另外一个频带的存在,浪费了很多频带资源。

进入数字时代后,在某一个时刻传输的只有一个信号频率,比如0,假设为900MHz,1假设为901MHz,一直这两个频率在变化而已,并且不可能同时出现。这个不同于模拟通讯信号,比如电视机,信号的频带就是6.5MHz。还有一个严重的问题,就是信号频带资源越来越宝贵,不能再像模拟一样这么简单的载波与信号相乘,导致双边带信号。

大家最希望得到的,就是输入a信号和b信号,得到单一的a+b或者a-b即可。基于此目的,我们就把这个公式展开:cos(a-b)=cos(a)cos(b)+sin(a)sin(b)

这个公式清楚的表明,只要把载波a和信号b相乘,之后他们各自都移相90度相乘,之后相加,就能得到a-b的信号了。这个在数字通讯,当前的半导体工艺完全可以做到:
1:数字通讯,单一时间只有一个频点,所以可以移相90度。
2:相加器、相乘器技术很容易实现。
如下图:手机GSM射频部分

接下来就很好办了,大家知道I就是cos(b),Q就是sin(b)
对这两个信号进行组合:
cos(b), sin(b)
cos(b), -sina(b)
-cos(b),sin(b)
-cos(b),-sin(b)
这个就是IQ信号的四相调制了。

之后为了编码更多的,就在这个里面折腾了,下面的就大家自己看书了。
注意,通过上面分析,大家知道IQ信号应该是正弦波模拟信号,手机上的频率是66KHz,大家在布线的时候一定要保证IQ信号不被干扰,毕竟是模拟信号,不然相乘相加之后就有很多杂波产生了,这个就是杂散了。

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