前面在文章“數字調制系列：如何理解IQ？” 和“數字調制系列：IQ 基本理論”中介紹了IQ的概念、常用數字調制方式及映射星座圖等內容，當完成數字比特流到IQ 坐標系的映射后，便可以得到數字I 和Q 信號，然后分別經過DAC 變換為模擬I 和Q 信號，最后經過IQ 調制器完成上變頻，圖1給出了數字調制的簡要架構示意圖。作為整個數字調制發射系統的關鍵部件，IQ 調制器完成了基帶信號的頻譜搬移，從而達到空口傳輸的條件。

什么是IQ 調制器？IQ 調制器如何工作？接收側如何解調出IQ信號？本文將給出具體介紹。

圖1. 數字調制發射系統架構示意圖

1. 什么是IQ 調制器？

圖2給出了IQ 調制器的簡要架構示意圖，通常包含四個端口：模擬I 輸入端口，模擬Q 輸入端口，LO (本振) 端口以及射頻輸出端口。有的IQ 調制器還支持差分模擬I/Q 輸入，因此具有更多的端口。IQ 調制器包括兩個對稱的支路，每個支路包含一個Mixer (上變頻)；兩個Mixer 的LO 同源，但是要求正交，即存在90°相位差。

圖2. IQ調制器架構示意圖

IQ 調制器具有三個比較關鍵的性能指標：

(1) 整個帶寬內的頻率響應；

(2) 兩個支路間的幅頻響應對稱性(IQ增益平衡)；

(3) 兩路LO 信號的正交性。

這些指標的優劣將直接影響信號調制質量的好壞。IQ 調制器的頻率響應包括幅頻響應和相頻響應，對于理想的線性時不變系統(LTI)，幅頻響應是平坦的，相頻響應是線性的，信號可以無失真的傳輸。因此，頻響性能越好，調制質量越高，從系統的角度講，BER 越低。

為什么要強調IQ 調制器兩個支路間的幅頻對稱性呢？如果兩個支路的頻率響應不同，就會造成IQ 不平衡傳輸，當產生中心頻率與IQ 調制器LO 頻率不同的信號時，鏡頻分量抑制效果會變差。因此，需要控制IQ 調制器支路間的幅頻特性差異。

類似地，兩個Mixer 的LO 正交性也將會影響鏡頻抑制能力。如果完全正交，則不會對鏡頻抑制能力有影響。當偏離正交時，鏡頻分量會增強。

如果模擬IQ 調制器的特性不是很理想，勢必會影響信號的調制質量。但是，可以通過源端預失真來補償，從而改善信號質量，比如矢量信號源中允許調整I/Q Imbalance 及I/Q Quadrature 參數等。

2. 發射端調制器是如何實現IQ調制的？接收端解調器又是如何實現IQ解調的？

此處信號的調制與解調，僅限于模擬IQ 信號到RF，再從RF 信號解調出模擬IQ 信號。通過下面的介紹，除了調制與解調的過程，您還將會了解為什么基帶I 和Q 信號的帶寬經過IQ 調制器后會翻倍。

為了便于理解，首先介紹一下信號的單邊帶頻譜與雙邊帶頻譜。這兩種頻譜都可以準確描述信號的頻譜，但是出發點不同，應用場景也不同。   

任何一個周期信號，只要滿足狄里赫利條件，均可以寫為一組完備正交集函數的無窮級數。通常完備的正交集函數為三角函數，比如{cos(n Ωt )；sin(n Ωt )，n 為任意非負整數}；根據歐拉公式，三角函數與虛指數函數存在一定的關系，因此周期信號也可以寫為虛指數函數的無窮級數。

如果按照三角函數級數展開，則對應的頻譜為單邊帶頻譜，如果按照虛指數函數級數展開，則對應的頻譜是關于零頻左右對稱的頻譜，此時稱為雙邊帶頻譜。由于運算更加方便，雙邊帶頻譜應用更加廣泛。

對于調制應用而言，涉及到頻譜的搬移，因此采用雙邊帶頻譜更加方便。下文所涉及的頻譜，均指雙邊帶頻譜。雙邊帶頻譜包括負頻率成分，沒有具體物理意義，但是從數學角度講，這些又是構成傅里葉變換的必不可少的組成部分。

圖2所示的IQ 調制器，在上變頻的過程中，兩個Mixer 實際上起到乘法器的作用，即i(t) 與cos(ω_ct )相乘，q(t) 與sin(ω_ct) 相乘，最后合為一路輸出。

假設I(ω) 和Q(ω) 分別為i(t) 和q(t) 的傅里葉變換，而三角函數的傅里葉變換為

根據頻域卷積定理可得：

由此可見，i(t) 和q(t) 經過混頻器后，從傅里葉的角度看，其雙邊帶頻譜發生了搬移，中心頻率由DC 搬移至ω_c。傅里葉變換的產物中還包含(-ω_c)頻率成分，如前所述，負頻率不具有實際物理意義，但是作為傅里葉變換的重要組成部分，構成了整個變換的數學完整性。

虛數 j 的存在表明，兩部分信號之間的載波存在90°相差，二者保持正交。

以上數學推導也可以由圖解完成，圖3給出了正、余弦函數的傅里葉變換示意圖，模擬IQ 信號經過調制器后，頻譜變換示意圖如圖4所示。

圖3. 正、余弦三角函數的傅里葉變換

圖4. IQ調制頻譜變換示意圖

因采用雙邊帶頻譜描述信號，i(t) 和q(t) 實際帶寬為雙邊帶頻譜帶寬的一半，由上述推導可知，當經過IQ調制器上變頻之后，整個雙邊帶頻譜搬移至射頻，故輸出的信號s(t) 的帶寬相對于基帶模擬IQ信號的帶寬翻倍了。

在接收側，射頻調制信號可經過模擬IQ解調器解調，經過低通濾波器之后分別得到模擬I 和Q 信號。數學推導與IQ調制類似，此處不再贅述。圖5給出了IQ解調器的整個圖解過程，非常清晰地表明了如何由射頻信號得到模擬IQ信號。

圖5. IQ解調頻譜變換示意圖

3. IQ調制與解調的實現方法有哪些？

前面介紹調制及解調過程時，默認是按照模擬IQ調制/解調器介紹的。現實中絕大多數數字調制發射系統均是采用了模擬IQ 調制器，從測試設備的角度講，矢量信號源也是采用了模擬IQ 調制器的架構。盡管如此，IQ 調制功能也是可以通過數字的方式實現的，稱為數字IQ調制器，在數字側完成符號映射及IQ 調制，從而得到具有載波的波形，最后經過DAC 直接播放出來。任意波信號發生器(AWG) 產生數字調制信號就是采用這種方式，但是DAC的時鐘頻率決定了能夠輸出的最高信號頻率。

類似地，模擬IQ 解調器的功能也可以由數字方式實現，稱為數字下變頻。而且相對于模擬解調器而言，數字下變頻應用更加廣泛。其基本思路為：射頻信號經過下變頻至IF 頻段，然后經過ADC 直接離散化，對離散的數據作數字下變頻便可以得到數字IQ 信號，最后對IQ 數據進一步分析。現在的矢量信號分析儀基本都是采用這個架構，有的矢量信號分析采用示波器及分析軟件的方案，也是應用了數字下變頻技術，如圖6所示，示波器的最大優勢就是支持更高帶寬信號的分析，這是矢量信號分析儀所遠遠不及的。

圖6. 矢量信號分析架構示意圖

小結

之前的文章介紹了關于IQ 和數字調制方式的基本概念，本文繼續深入剖析數字調制，重點介紹了數字調制過程中的關鍵部件——IQ 調制器及其特性，并從解析和圖解兩個方面詳細描述了IQ 調制與解調的過程，以便于理解數字調制。對于目前常用的IQ 調制與解調的實現方式，文末也給出了相應的說明。