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IQ调制基本理论(ASKFSKPSKQAM)

数字IQ调制凭借高数据速率以及易于实现等优势，广泛应用于无线通信系统。

与传统的模拟调制不同，数字调制采用了新颖的IQ调制架构，以0、1比特流为调制信号。简单地讲，数字调制的过程就是将原始数据比特流按照一定的规则映射至IQ坐标系的过程。映射完成后将得到数字I和Q信号，再分别由DAC转换为模拟I和Q信号，最后经IQ调制器上变频至射频频段。

本文将介绍数字IQ调制的基本理论。

IQ定义

下图1所示的矢量坐标系，横轴为实部，纵轴为虚部。数字IQ调制完成了符号到矢量坐标系的映射，映射点一般称为星座点，具有实部和虚部。从矢量角度讲，实部与虚部是正交的关系，通常称实部为In-phase分量，则虚部为Quadrature分量。这就是IQ的由来，该矢量坐标系也可以称为IQ坐标系。

在IQ坐标系中，任何一点都确定了一个矢量，可以写为(I+jQ)的形式，数字调制完成后便可以得到相应的I和Q波形，因此数字调制又称为矢量调制。

图1.IQ矢量坐标系

无论是模拟调制，还是数字调制，都是采用调制信号去控制载波信号的三要素：

幅度、频率和相位，分别称为调幅、调频和调相。

模拟调制称为AM、FM和PM，而数字调制称为ASK、FSK和PSK。

数字调制中还有一种调制方式同时包含幅度和相位调制，称为QAM调制(正交幅度调制)。下面将逐一进行介绍。

ASK(AmplitudeShiftKeying)称为幅移键控

通常指二进制幅移键控2ASK，只对载波作幅度调制，因此符号映射至IQ坐标系后只有I分量，而且只有两个状态——幅度A1和A2，如图2所示。一个bit就可以表征两个状态，“0”对应A1，“1”对应A2。即一个状态只包含1bit信息，故符号速率与比特率相同。类似于模拟AM调制，ASK也具有调制深度的概念，调制深度定义为

Mod.depth=(A2-A1)/A2X100%

图2.2ASK调制映射星座图

当2ASK的调制深度为100%时，只有比特“1”有信号，比特“0”没有信号，所以称为On-OffKeying，简称为OOK调制。OOK是一种特殊的ASK调制，调制后的波形为射频脉冲信号。

图3给出了当调制源为1001110001101时，OOK调制之后产生的波形。其中上半图为采用Rectangularfilter对应的波形，脉冲波形很完美；下半图为采用RaisedCosinefilter时的波形，由于该滤波器具有陡峭的滚降特性，抑制了脉冲信号的高频边带，所以脉冲波形的边沿变得很缓。因此，如果采用OOK方式产生射频脉冲串，一定要采用Rectangularfilter。

图3.OOK调制生成射频脉冲信号(pattern1001110001101)

FSK(FrequencyShiftKeying)称为频移键控

常见的FSK包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK等。FSK一般不提及星座图，而是将符号映射至频率轴，图4以2FSK和4FSK为例，给出了经典的符号映射关系，纵轴为基带信号频率相对于FSKPeakDeviation的归一化值。

图4.2FSK和4FSK符号映射方式

FSK是如何实现的呢？以4FSK为例，具有{-1,-1/3,1/3,1}四个归一化频率状态，假设FSKPeakDev.为3MHz，则四个基带频率分别为{-3MHz,-1MHz,1MHz,3MHz}。选择调制源为pattern并设置符号速率为1MSym./s，则在四个频点上都将分别持续1us，即每个符号周期内对应的都是一个CW信号。

虽然FSK并不是将符号直接映射至IQ坐标系中，但是FSK调制依然具有I分量和Q分量。因为任何一个频率不为0的基带信号，在IQ坐标系上的矢量轨迹都是一个圆，这意味着在不同时刻，该信号的I分量和Q分量也是变化的。

假设基带信号频率为ω1，则用虚指数形式可以表示为ejω1t，因此在IQ坐标系上，随着时间变化的矢量轨迹为一个圆。根据欧拉公式可得

e

图5.频率非0时的基带信号矢量轨迹

图6给出了上述例子中4FSK调制的I和Q波形，因为符号周期为1us，所以对于f1和f4，一个符号周期内包含三个周期波形。类似地，对于f2和f3，包含一个周期波形。从IQ坐标系的角度看，FSK调制的过程就是沿着轨迹圆作圆周运动的过程，只是基带频率越高，运动速度越快。圆周运动过程中，改变的是载波的相位，因此也可以理解为FSK是通过调相间接实现的。

如果符号速率较高，则符号周期较短，FSK调制过程中很有可能出现一个符号周期只包含部分波形的情况，如图7所示，除了+/-3MHz两个频点是一个完整的周期，+/-1MHz两个频点只有部分波形。

图6.