1. 什麼是IQ ？

　　回答這個問題不得不提圖1所示的矢量坐标系(複坐标系)，橫軸為實部，縱軸為虛部。數字IQ調制完成了符号到矢量坐标系的映射，即每一個符号對應唯一的坐标點，該坐标點稱為星座點。每一個星座點與原點構成了一個矢量，具有幅度和相位信息，在IQ 調制中，通常默認最大的幅度為1，例如圖1所示的星座點确定的矢量幅度為1、相位為45°。

　　矢量坐标系上任何一個點均具有實部和虛部，實部與虛部是正交的關系，在無線通信中通常将實部稱為I(n-phase)分量，将虛部稱為Q(uadrature)分量。這就是術語IQ 的由來，該矢量坐标系也可以稱為IQ 坐标系。

　　數字調制完成了符号到星座點的映射，每個映射點對應一個I 分量和一個Q 分量，二者構成一個矢量，因此數字調制又稱為矢量調制。通常提到的矢量信号源就是因為具有IQ 調制功能，才稱之為矢量信号源。

　　圖1. IQ矢量坐标系

　　綜上所述，I 和Q 就是IQ 坐标系上坐标點的橫坐标值和縱坐标值，IQ 坐标系本質上就是複坐标系，隻是在數字調制過程中稱之為IQ 坐标系，以便于實現調制。

　　2. 為什麼引入IQ 調制？

　　由于對數據速率要求不高，起初的無線通信基本都是采用模拟調制方式，比如AM/ FM/PM等。在相當長一段時間内，市場需求并沒有大規模驅動通信技術的進步。但是随着衛星通信以及個人通信業務需求的激增，傳統的模拟調制顯然已經無法滿足速率要求，必須要尋求支持更高數據速率的調制技術。

　　實踐證明，IQ 調制技術可以擔當此重任，我們不去深究何時引入IQ 調制技術，而是把目光聚焦在IQ 調制與傳統的調制相比有哪些優勢。

　　之所以采用IQ調制，主要考慮到如下優勢：

　　(1) IQ調制可以通過提高符号速率或者采用高階調制實現更高的數據速率，非常方便靈活，這是傳統的模拟調制所遠遠不及的。

　　(2) 實現高速通信時，IQ 調制更加易于實現。IQ 調制可以非常方便地将符号映射至矢量坐标系中，從而完成數字調制；同理，在接收側也可以非常方便地根據符号映射解調出原始數據比特流。

　　(3) IQ 調制具有更高的頻譜利用率。如何理解呢？

　　這一優勢是相對于普通調制而言的，從整個IQ 調制過程來看，I 路或者Q 路都是普通調制，IQ 調制實際上是兩個特殊普通調制的合成。圖2給出了IQ 調制器架構示意圖，每一個支路上都包含一個上變頻器，二者共用一個本振源，隻是兩路本振信号是正交的關系。上變頻之前的輸入信号稱為基帶I 信号和基帶Q 信号，上變頻且合路之後的信号通常稱為射頻調制信号。

　　為了具有普遍适用性，假設IQ 調制的數據源為僞随機碼，此時基帶I 信号和基帶Q 信号的頻譜是相同的，帶寬均為B，二者均攜帶信息而且信息量相同。IQ 調制采用零中頻架構，每一路上變頻之後帶寬翻倍至2B，但是攜帶的信息不變。合路後，射頻調制信号帶寬仍然為2B，但是相對于單路調制而言，攜帶的信息量翻倍了。因此，IQ調制具有更高的頻率利用率！

　　圖2. IQ 調制器示意圖

　　為了便于理解，下面以QPSK調制為例進一步說明。從效能上講，QPSK調制相當于兩路BPSK調制的合成，I 路調制為一路BPSK，Q 路調制為另一路BPSK。如前所述，I 路調制和Q 路調制均為普通調制。從帶寬上看，QPSK對應的射頻調制信号帶寬與I 或Q 路BPSK調制信号帶寬相同；但是從數據速率上看，QPSK調制是BPSK調制的兩倍。因此，IQ 調制相對于普通調制具有更高的頻率利用率！

　　圖3. QPSK調制相當于兩路BPSK調制的合成

　　(4) IQ調制采用零中頻架構，經過調制之後無需使用濾波器抑制鏡頻邊帶，設計更加靈活方便。對于其它收發機架構，比如超外差架構，由于中頻不為0，經過上變頻後，會存在較強的邊帶分量，還需要專門的鏡頻抑制濾波器進行濾波，這将使得設計更加複雜。

　　正是基于以上主要優勢，IQ 調制應用才越來越廣泛，幾乎目前所有的無線通信中都離不開這種調制技術！

　　3. 數字調制中的符号速率與比特率之間有什麼樣的關系？

　　首先了解一下數字調制中“符号”的概念。前面提到，數字調制就是将0和1比特流數據按照一定的規則映射至IQ 坐标系上，在完成映射之前需要将比特流構成符号，因此，數字調制就是将符号映射至IQ 坐标系的過程。

　　每一個符号都是由比特0和/或1構成，比如：0 / 1 / 00 / 01 / 1001 / 10101……，這些都可以稱為符号。一個符号至少包含一個bit信息，具體由調制方式決定。

　　符号映射至星座點上，意味着符号要與星座點一一對應，要實現這一點，必須要求星座點數目M與一個符号包含的比特數目N滿足如下關系：

　　M=2N, N=log2M

　　如果不滿足這一點，就無法實現符号與星座點之間的映射。比如，假設存在某種調制方式，具有5個星座點，考慮兩種情況：

　　(1) 如果一個符号包含2比特，則最多包含00 / 01 / 10 / 11四種組合，會有一個星座點用不上。既然用不上，為什麼該調制方式不考慮設計為4個星座點？

　　(2) 如果一個符号包含3比特信息，則最多包含000 / 001 / 010 / 011 / 100 / 101 / 110 / 111八種組合，如何完全映射至5個星座點上？既然無法完全映射，那麼又如何保證信息傳輸的完整性？

　　符号速率與比特率之間有什麼關系呢？

　　符号速率(Symbol rate)就是單位時間内傳輸的符号的個數，如果一個符号包含N個比特，則對應的比特率(Bit rate) 為符号速率的N倍。

　　Bit rate=Symbol rate ×N

　　圖4給出了常用的三種PSK調制方式的星座圖：BPSK，QPSK和8PSK。按照上述結論，BPSK調制的比特率與符号速率相同，QPSK調制的比特率是符号速率的兩倍，8PSK調制的比特率是符号速率的三倍。

　　圖4. 三種常用PSK調制的星座圖

　　小結

　　本文的目的就是解答初次接觸數字IQ調制時可能會遇到的一些疑惑，介紹的内容都比較基礎，以便于更好的理解數字IQ調制。文中着重介紹了IQ的概念、IQ調制的優勢以及符号速率與比特率之間的關系，這些都是數字IQ調制的基本内容。在此基礎之上，後面将陸續推出一系列的文章介紹IQ調制技術，這些都是作者多年的積累和總結，希望對大家有所幫助。

　　作者：Knight

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