天华中威科技微波小课堂_了解 I/Q 信号和正交调制

I/Q信号，即“In-Phase”和“Quadrature”的缩写，是射频通信和信号处理领域中至关重要的概念。然而，这一术语背后隐藏着一些深奥的原理，本文将深入探讨I/Q信号的特性以及它们在正交调制中的广泛应用。

I/Q信号的本质

“I”代表“In-Phase”，“Q”代表“Quadrature”，但这两个术语本身并没有独立的意义。相位是相对的，而“同相”和“正交”只有在相对于另一个信号或参考点时才有意义。此外，“正交”一词既用于描述信号，又用于描述与该信号相关的调制/解调技术，这为术语带来了一些混淆。

在基本层面上，“同相”和“正交”描述了两个具有相同频率且相位相差90°的正弦波，其中I信号是余弦波，Q信号是正弦波。这两者相互正交，或者说相互位于“四分之一波长”的相位关系中。

需要理解的第一件事是，I/Q信号始终是幅度调制的，而非频率或相位调制。在I/Q调制器中，调制I/Q正弦波的信号不会使它们始终为正。换句话说，I/Q调制涉及将I/Q波形乘以可能具有负电压值的调制信号，因此“幅度”调制可能导致180°相移。

I/Q信号的叠加

当考虑 I 和 Q 信号本身时，它们并不具有很大的趣味性。然而，有趣的是当引入 I 和 Q 波形时。实际上，通过简单地改变 I 和 Q 信号的振幅（仅振幅），然后将它们相加，可以实现任何形式的调制。

如果将相等振幅的 I 和 Q 信号相加，结果将是一个正弦曲线，其相位位于 I 信号相位和 Q 信号相位之间。

换句话说，假设 I 波形的相位为0°，Q 波形的相位为90°，那么相加信号的相位将为45°。要创建调幅波形，只需对单个 I 和 Q 信号进行调幅。显然，通过将两个振幅相加或减去的信号来创建信号，将导致信号的振幅增加或减小。然而，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，以避免相移问题。

振幅到相位

相位调制以相位移键控的形式实现，在现代射频系统中扮演着重要的角色，通过调整 I/Q 信号的振幅，相位调制可以得以便捷实现

正如我们所了解的，通过增加一个波形相对于另一个波形的振幅，会导致总和信号偏移到振幅更高的波形。这个现象非常直观：如果我们去除 Q 波形，总和信号将直接跟随着 I 波形的相位，因为将 I 波形与零相加将得到与 I 波形相同的总和信号。

从上述讨论中，我们得出一个重要结论：I/Q 信号在信号处理中可以用于将信号偏移 90°（即每个方向 45°）。这意味着，如果 Q 的振幅减小到零，总和信号将持续偏移到 I 的相位；反之亦然，如果 I 的振幅减小到零，总和信号将一直偏移到 Q 的相位。

通过灵活地增加或减小各自波形的振幅，我们可以在 I 和 Q 信号之间实现相位的变化。这一过程赋予了信号处理者更多的控制权，使其能够根据需要调整信号的性质。这样的灵活性在许多应用中都非常有用，特别是在通信和雷达等领域，其中需要对信号进行精确的调整和控制。

正交调制

正交调制”是指基于两个正交信号之和的调制。换句话说，它是基于I/Q信号的调制。我们将以QPSK为例来说明正交调制的工作原理，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，其过程如下：

数字数据流处理： 首先，对数字数据流进行处理，将两个连续的位变换为两个并行的位。这两个位将同时传输，即QPSK允许一个符号传输两个位。

本地振荡器生成载波： 本地振荡器生成一个载波正弦波。这个本振信号本身成为I载波，并施加90°相移以产生Q载波。

I和Q数据流与载波相乘： 将I和Q载波分别与I和Q数据流相乘。这两个乘法操作产生两个信号，然后将这两个信号相加以产生QPSK调制波形

I 和 Q 数据流对 I 和 Q 载波进行幅度调制，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在 45°。但是，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，则每当输入数据为逻辑低电平时，我们的“幅度调制”实际上是在反相载波（因为负输入电压乘以载波会导致反转）。这意味着我们将有四种 I/Q 状态：

I 正常 和 Q 正常，I 正常 和 Q 反相，I 反相 和 Q 正常，I 反相 和 Q 反相

I 正常 和 Q 正常

I 正常 和 Q 反相

I 反相 和 Q 正常

I 反相 和 Q 反相

在这四种情况下，总和产生的效果正是我们在 QPSK 信号中希望得到的：相位分别为 45°、135°、225° 和 315°。

参考文献：Practical Guide to Radio-Frequency Analysis and Design