IQ调制基本理论(ASK FSK PSK QAM) 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。
1.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。
1.ASK(Amplitude Shift Keying)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1 bit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)/A2 X 100%
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-Off Keying，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Rectangular filter对应的波形，脉冲波形很完美；下半图为采用Raised Cosine filter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Rectangular filter。
图3. OOK调制生成射频脉冲信号(pattern "1001110001101")
2.FSK(Frequency Shift Keying)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FSK Peak Deviation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FSKPeak Dev.为3MHz，则四个基带频率分别为{-3MHz, -1MHz, 1MHz, 3MHz }。选择调制源为pattern '00011011'，并设置符号速率为1M Sym./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
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. 4FSK调制的IQ波形(1M Sym./s，3MHz deviation)
图7. 4FSK调制的IQ波形(3M Sym./s，3MHz deviation)
3.PSK(Phase Shift Keying)称为相移键控，是非常主流的数字调制方式
常用的PSK调制方式包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK等。PSK调制是将符号直接映射到IQ坐标系上的，图8给出了几组常用的映射方式。
图8. 常见的BPSK/QPSK/8PSK映射方式
下面以QPSK为例，介绍符号映射的过程，其它PSK调制过程与此类似。假设比特流为“00 01 11 10 01 00 11 10 00 11”共10个符号，按照图8的映射方式，可以得到图9所示的IQ基带波形及其矢量轨迹图。
qam调制器图中数字1~9表示符号点的跳变轨迹，比如跳频路径1是指从符号(00)跳变至(01)的矢量轨迹，跳频路径2是从符号(01)跳变至(11)的矢量轨迹。其中跳频路径4、6和9会出现 I 和 Q 同时为0的情况，意味着这一瞬间将没有信号输出。这将导致输出的射频信号具有较高峰均比PAR，如果要求发射平均功率达到某一水平，高PAR对应的峰值功率将更高，对功率放大器的设计提出了挑战。
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