IQ正交调制及星座图

数字通信中几种调制方式的星座图由于实际要传输的信号（基带信号）所占据的频带通常是低频开始的，而实际通信信道往往都是带通的，要在这种情况下进行通信，就必须对包含信息的信号进行调制，实现基带信号频谱的搬移，以适合实际信道的传输。

即用基带信号对载波信号的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。

因为正弦信号的特殊优点（如：形式简单，便于产生和接受等），在大多数数字通信系统中，我们都选用正弦信号作为载波。

显然，我们可以利用正弦信号的幅度，频率，相位来携带原始数字基带信号，相对应的分别称为调幅，调频，调相三种基本形式。

当然，我们也可以利用其中二种方式的结合来实现数字信号的传输，如调幅-调相等，从而达到某些更加好的特性。

一．星座图基本原理一般而言，一个已调信号可以表示为：（1）上式中，是低通脉冲波形，此处，我们为简单处理，假设，，即是矩形波，以下也做同样处理。

假设一共有（一般总是2的整数次幂，为2，4，16，32等等）个消息序列，我们可以把这个消息序列分别映射到载波的幅度，频率和相位上，显然，必须有才能实现这个信号的传输。

当然，我们也不可能同时使用载波信号的幅度、频率和相位三者来同时携带调制信号，这样的话，接收端的解调过程将是非常复杂的。

其中最简单的三种方式是： (1.当和为常数，即时，为幅度调制(ASK。

(2.当和为常数，即时，为频率调制(FSK。

(3.当和为常数，即时，为相位调制(PSK。

我们也可以采取两者的结合来传输调制信号，一般采用的是幅度和相位结合的方式，其中使用较为广泛的一项技术是正交幅度调制(MQAM。

我们把（1）式展开，可得：（2）根据空间理论，我们可以选择以下的一组基向量：其中是低通脉冲信号的能量，。

这样，调制后的信号就可以用信号空间中的向量来表示。

当在二维坐标上将上面的向量端点画出来时，我们称之为星座图，又叫矢量图。

也就是说，星座图不是本来就有的，只是我们这样表示出来的。

通信对抗原理实验报告实验名称:四相移相键控（QPSK）调制及解调实验学生姓名：学生学号：学生班级:所学专业：实验日期：1. 实验目的1. 掌握QPSK 调制解调原理及特性.2。

. 熟悉Matlab 仿真软件的使用。

2. 实验内容1、 编写Matlab 程序仿真QPSK 调制及相干解调。

2、 观察IQ 两路基带信号的特征及与输入NRZ 码的关系。

3、 观察IQ 调制解调过程中各信号变化。

4、 观察功率谱的变化。

5、 分析仿真中观察的数据，撰写实验报告。

3. 实验原理1、QPSK 调制原理QPSK 又叫四相绝对相移调制,它是一种正交相移键控。

QPSK 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。

由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组,然后用四种不同的载波相位来表征。

我们把组成双比特码元的前一信息比特用a 代表,后一信息比特用b 代表。

双比特码元中两个信息比特ab 通常是按格雷码排列的,它与载波相位的关系如表1-1所示，矢量关系如图1—1所示。

图1-1（a)表示A 方式时QPSK 信号矢量图,图1—1（b)表示B 方式时QPSK 信号的矢量图。

由于正弦和余弦的互补特性,对于载波相位的四种取值,在A 方式中：45°、135°、225°、315°，则数据k I、k Q 通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值±2/2;B 方式中:0°、90°、180°、270°,则数据k I、k Q 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。

表(0,1)(1,1)(0,0)参考相位参考相位(a)(b)图1-1 QPSK 信号的矢量图下面以A 方式的QPSK 为例说明QPSK 信号相位的合成方法。

串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行序列,然后通过基带成形得到的双极性序列(从D/A 转换器输出，幅度为±2/2）。

数字通信中几种调制方式的星座图由于实际要传输的信号（基带信号)所占据的频带通常是低频开始的,而实际通信信道往往都是带通的,要在这种情况下进行通信，就必须对包含信息的信号进行调制，实现基带信号频谱的搬移，以适合实际信道的传输.即用基带信号对载波信号的某些参量进行控制,使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。

因为正弦信号的特殊优点(如:形式简单，便于产生和接受等），在大多数数字通信系统中，我们都选用正弦信号作为载波.显然,我们可以利用正弦信号的幅度，频率，相位来携带原始数字基带信号,相对应的分别称为调幅，调频，调相三种基本形式.当然,我们也可以利用其中二种方式的结合来实现数字信号的传输，如调幅－调相等,从而达到某些更加好的特性。

一．星座图基本原理一般而言，一个已调信号可以表示为：()()cos(2)N m n k s t A g t f t πϕ=+0t T ≤<(1）00001,2......1,2.......1,2........1,2........N N m m n n k k ====上式中,()g t 是低通脉冲波形,此处，我们为简单处理，假设()1g t =,0t T <≤，即()g t 是矩形波，以下也做同样处理。

假设一共有0N (一般0N 总是2的整数次幂，为2，4，16，３2等等)个消息序列,我们可以把这0N 个消息序列分别映射到载波的幅度m A ，频率n f 和相位k ϕ上，显然，必须有 0000N m n k =⨯⨯才能实现这0N 个信号的传输。

当然,我们也不可能同时使用载波信号的幅度、频率和相位三者来同时携带调制信号，这样的话,接收端的解调过程将是非常复杂的。

其中最简单的三种方式是：（1）.当n f 和k ϕ为常数，即0000,1,1m N n k ===时,为幅度调制(A ＳK ）。

（2）．当m A 和k ϕ为常数，即00001,,1m n N k ===时，为频率调制（FSK)。

IQ调制解调原理1. 什么是IQ调制解调在通信领域，IQ调制解调是指使用两路信号，即正交信号 I 和 Q 分量，来表达数字或模拟信号的一种调制和解调方式。

I 指的是实部，Q 指的是虚部。

这种调制方式常用于无线通信系统中，如蜂窝移动通信系统、卫星通信系统等。

IQ调制解调允许同时在相同的频率上发送两个独立的信号，从而实现更高的信道利用率和更好的抗干扰性能。

它广泛应用于高速无线通信、调频广播、数字电视和高清视频传输等领域。

2. IQ调制原理IQ调制的核心原理是将要传输的信号分为两个正交分量，即 I 和 Q 分量。

I 和Q 分量可以用正弦和余弦函数进行表示，也可以用基带数字信号进行表示。

假设要传输的数字信号为 bit sequence，其中 0 表示低电平，1 表示高电平。

则IQ调制过程如下：1.将 bit sequence 分成两份，分别作为 I 和 Q 分量。

2.对于每一个 bit，若为0，则 I 分量置为低电平信号；若为1，则 I 分量置为高电平信号。

3.Q 分量可以选择与 I 分量正交的信号（正弦函数）来表示。

4.将 I 和 Q 分量进行线性叠加，得到最终的调制信号。

3. IQ解调原理IQ解调的过程是对接收到的IQ信号进行解调，将其还原为原始的数字信号。

解调过程如下：1.接收到的信号经过滤波和放大处理后，得到 IQ 分量。

2.对每一个时刻的 IQ 分量进行解调，得到 I 和 Q 两个序列。

3.对 I 和 Q 序列进行采样，得到 I 和 Q 分量的值。

4.对 I 和 Q 分量的值进行判断，若为低电平信号，则对应的 bit 为0；若为高电平信号，则对应的 bit 为1。

5.将所有的 bit 进行重新组合，得到原始的数字信号。

4. IQ调制解调示意图下面是一个示意图，展示了IQ调制解调的过程：示意图中的矩形波表示原始的数字信号，经过IQ调制后得到IQ信号。

经过信道传输后，接收端对IQ信号进行解调，得到原始的数字信号。

·83·监测与测量Monitoring & Measurement总第106期数字电视星座图的测试与分析吴海龙（辽宁省广播电视技术保障中心）【摘 要】本文简要介绍QAM调制及其星座图的形成过程，并较详细利用测试星座图分析和判断数字电视系统噪声特征和来源等，这对数字电视系统的维护具有重要的意义。

【关键词】数字电视；广义噪声；星座图；测试应用作者简介：吴海龙，辽宁省广播电视技术保障中心，高级工程师，主要从事全省广播电视光纤传输网络设备技术维护及管理等工作。

一、前言众所周知，无论是模拟电视信号还是数字电视信号，它们在产生和传输过程中都会受到失真、噪声、干扰等影响。

在模拟电视中主要有失真（CSO、CTB）、白噪声、哼声（即交流声）、外界电磁波侵入干扰等，这主要是以幅度为特征的噪声，会使模拟电视图像出现雪花、重影、滚动及垂直、倾斜或水平波纹等现象。

在数字电视中，这些噪声影响依然存在，而且增加了数字调制和传输中带来的的影响，例如IQ幅度不平衡、IQ相位差、载波泄漏、相干干扰、相位噪声、增益压缩等。

一般把上述造成数字电视信号损伤的因素都当做噪声来处理，通常称为“广义噪声”，严重时会使数字电视图像出现马赛克、静帧或图像中断等现象。

上述的广义噪声对数字电视信号引起的各种故障用简单的测电平的方法很难查找和判别，而采用测试数字信号星座图是一个有效的方法之一，它能直观地监测数字电视信号的变化，以便对设备或传输网络采取相应的措施。

二、64QAM星座图形成原理在有线数字电视采用的QAM调制大都是64QAM调制方式，它采用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，既调幅又调相，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特。

当比特流（视频码流、音频码流和辅助数据码流）进入64QAM调制器时，则是6个比特（从000000～111111）形成一个符号，最多有64种不同的组合，然后分成两路分别调制到两个正交的I、Q平面上，每个符号在I/Q平面上的位置与其调制幅度和相位相一一对应，这样便形成64QAM的星座图，它表示上述I信号和Q信号的64种不同组合信号矢量端点（星座点）的分布图，可以直观地显示出各个星座点的幅值和相位，如图1所示。

实验三、矢量调制星座图实验一、实验目的1、掌握星座图的概念、星座图的产生原理及方法，2、了解星座图的作用及工程上的应用。

二、实验内容1、观察QPSK、OQPSK、MSK、GMSK基带信号的星座图。

2、比较各星座图的不同及他们的意义。

三、基本原理星座图可以看成数字信号的一个“二维眼图”阵列，同时符号在图中所处的位置具有合理的限制或判决边界。

代表各接收符号的点在图中越接近，信号质量就越高。

由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，阵列的形状可用来分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因。

星座图对于识别下列调制问题相当有用：* 幅度失衡* 正交误差* 相关干扰* 相位噪声、幅度噪声* 相位误差* 调制误差比在数字调制中，我们可以通过星座图来观察相位的变化、噪声干扰、各矢量点之间的相位转移轨迹等状况，通过星座图，我们可以很容易地看出各矢量调制的频谱利用率情况，应该说，改变基带信号的相位转移轨迹也就改变了调制信号的频谱特性。

星座显示是示波器显示的数字等价形式，将正交基带信号的I和Q两路分别接入示波器的两个输入通道，通过示波器的“X-Y”的功能即可以很清晰地看到调制信号的星座图。

我们知道QPSK信号可以用正交调制方法产生。

在它的星座图中，四个信号点之间任何过渡都是可能的，如图7-2（a）所示。

在这正方形星座图中对角过渡，必将产生180度相移，此时经限带后所造成的包络起伏最大。

如果在正交调制时，将正交路基带信号相对于同相路基带信号延时一个信息间隔，即符号间隔的一半，则有可能减小包络起伏。

这种将正交路延时一段时间的调制方法称为偏移四相相移键控，常记作OQPSK，又称为参差四相相移键控（SQPSK）。

将正交路信号偏移T2 /2的结果是消除了已调信号中突然相移180度的现象，每隔T2 /2信号相位只可能发生±90度的变化。

因而星座图中信号点只能沿正方形四边移动，如图7-2（b）所示。

滤波后的OQPSK信号中包络的最大值与最小值之比约为，不可能出现图7-1中比值为无限大的情形。

实验九Q P S K/O Q P S K调制与解调实验一、实验目的1、了解用CPLD进行电路设计的基本方法。

2、掌握QPSK调制与解调的原理。

3、通过本实验掌握星座图的概念、星座图的产生原理及方法，了解星座图的作用及工程上的作用。

二、实验内容1、观察QPSK调制的各种波形。

2、观察QPSK解调的各种波形。

三、实验器材1、信号源模块一块2、⑤号模块一块3、20M双踪示波器一台4、连接线若干四、实验原理（一）QPSK调制解调原理1、QPSK调制QPSK信号的产生方法可分为调相法和相位选择法。

用调相法产生QPSK信号的组成方框图如图12-1（a）所示。

图中，串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。

设两个序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。

双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图12-1（b）中虚线矢量。

将两路输出叠加，即得如图12-1（b）中实线所示的四相移相信号，其相位编码逻辑关系如表12-1所示。

（a）（b）图12-1 QPSK调制2、QPSK解调图12-2 QPSK相干解调器由于四相绝对移相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其组成方框图如图12-2所示。

图中的并/串变换器的作用与调制器中的串/并变换器相反，它是用来将上、下支路所得到的并行数据恢复成串行数据的。

（二）OQPSK调制解调原理OQPSK又叫偏移四相相移键控，它是基于QPSK的改进型，为了克服QPSK中过零点的相位跃变特性，以及由此带来的幅度起伏不恒定和频带的展宽（通过带限系统后）等一系列问题。

若将QPSK中并行的I，Q两路码元错开时间（如半个码元），称这类QPSK为偏移QPSK或OQPSK。

通过I，Q路码元错开半个码元调制之后的波形，其载波相位跃变由180°降至90°，避免了过零点，从而大大降低了峰平比和频带的展宽。

数字调制系列：如何理解IQ ？最近在筹划写一系列关于数字IQ 调制的短文，以帮助初学者能够更好地理解和掌握。

虽然IQ 调制技术已经非常广泛地应用于各种无线通信应用中，但是究其细节，仍有很多人存在疑惑，尤其对于初学者。

从事测试工作多年，对IQ 调制略有体会，整理下来分享给大家，希望对大家有所帮助。

作为数字IQ 调制系列的首篇文章，本文将主要介绍IQ 的概念，IQ 调制的优势以及符号速率与比特率之间的关系。

1. 什么是IQ ？回答这个问题不得不提图1所示的矢量坐标系(复坐标系)，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，即每一个符号对应唯一的坐标点，该坐标点称为星座点。

每一个星座点与原点构成了一个矢量，具有幅度和相位信息，在IQ 调制中，通常默认最大的幅度为1，例如图1所示的星座点确定的矢量幅度为1、相位为45°。

矢量坐标系上任何一个点均具有实部和虚部，实部与虚部是正交的关系，在无线通信中通常将实部称为I(n-phase)分量，将虚部称为Q(uadrature)分量。

这就是术语IQ 的由来，该矢量坐标系也可以称为IQ 坐标系。

数字调制完成了符号到星座点的映射，每个映射点对应一个I 分量和一个Q 分量，二者构成一个矢量，因此数字调制又称为矢量调制。

通常提到的矢量信号源就是因为具有IQ 调制功能，才称之为矢量信号源。

图1. IQ矢量坐标系综上所述，I 和Q 就是IQ 坐标系上坐标点的横坐标值和纵坐标值，IQ 坐标系本质上就是复坐标系，只是在数字调制过程中称之为IQ 坐标系，以便于实现调制。

2. 为什么引入IQ 调制？由于对数据速率要求不高，起初的无线通信基本都是采用模拟调制方式，比如AM/ FM/PM等。

在相当长一段时间内，市场需求并没有大规模驱动通信技术的进步。

但是随着卫星通信以及个人通信业务需求的激增，传统的模拟调制显然已经无法满足速率要求，必须要寻求支持更高数据速率的调制技术。

I/Q 调制及星座图总结陈启超2017.11.20一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。

然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去观察或测量同一信号的变化。

人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但是这既难于产生更难于检测。

但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相（I ）和正交（Q ）分量。

这两个分量是正交的，且互不相干的。

5.1 1、IQ 调制与解调5.1.1 1.1 IQ 信号调制IQ 调制也叫正交调制，调制原理如下：如上图，I 路和Q 路分别输入两个数据a 、b ，I 路信号与)cos(0t w 相乘，Q 路信号与)sin(0t w 相乘，之后再叠加（通常Q 路在叠加时会乘以-1），输出信号为t w b t w a t S 00sin cos )(-=。

这个过程我们称之为IQ 调制，也叫正交调制。

输入正交调制器的信号一般被称为IQ 信号，可以用复数来描述：a+jb ， 再将与I 路数据相乘的)cos(0t w 和与Q 路数据相乘的)sin(0t w 表示为：t w j t w t jw 00sin cos e 0+=，采用复数表示后的IQ 调制就可以利用复数乘法来实现：计算过程如下：)sin cos ()sin cos (sin cos sin cos )sin )(cos jb a (e )jb a (0000000000jw 0t w a t w b j t w b t w a t w b t w jb t w aj t w a t w j t w t++-=-++=++=+取上式的实部即是IQ 调制的输出信号t w b t w a t S 00sin cos )(-=，因为在IQ 调制过程中输入及输出的最终信号全部都是实信号，只是在实现过程中我们把相关的信号表示为复数而已。

5.1.2 1.2 IQ 信号解调2T5.22、星座图我们知道，矢量常用代数式、直角坐标、极坐标来描述，尤其是对IQ信号，极坐标图是观察幅度和相位的最好方法，载波是频率和相位的基准，信号表示为对载波的关系。

课程设计I设计说明书正交幅度调制（QAM）的设计与仿真学生姓名学号班级成绩指导教师数学与计算机科学学院2014年9月12日课程设计任务书2014 —2015学年第1学期课程设计名称：课程设计I课程设计题目：正交幅度调制（QAM）的设计与仿真完成期限：自2014 年9 月 1 日至2014 年9 月12 日共2 周设计内容：1.任务说明：设计一种数字频带调制解调系统。

使用Matlab/Simulink仿真软件，设计一个选择的数字频带传输系统中的调制与解调系统。

用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

2.要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块以及信宿；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，用Matlab/Simulink 实现该数字通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析（波形图、眼图和频谱图等）；（5）用示波器观察调制与解调各个阶段的波形图，并给出波形的解释说明；（6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求书写课程设计说明书，能正确阐述和分析设计和设计结果。

3.参考资料：[1]邵玉斌. Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京:清华大学出版社, 2008[2]张化光, 刘鑫蕊, 孙秋野. MATLAB/SIMULINK实用教程. 北京:人民邮电出版社, 2009[3]樊昌信, 曹丽娜. 通信原理. 北京:国防工业出版社,2008[4]刘卫国. MATLAB程序设计教程. 北京:中国水利水电出版社, 2005指导教师：教研室负责人：课程设计评阅摘要正交幅度调制技术(QAM)是一种功率和带宽相对高效的信道调制技术,因此在自适应信道调制技术中得到了较多应用.利用MATLAB/Simulink对QAM调制系统进行仿真,并给出了16QAM在加性高斯白噪声条件下的误码率。

无线电技术系列：IQ调制浅析-1 在现代无线通信中，IQ调制属于标准配置，经常应用于通信系统的信号调制和解调环节。

IQ调制的应用简化了通信设备的硬件结构，同时提高了频谱资源的利用效率，提高了信号传输的稳定性。

让我们先来看看什么是IQ信号。

IQ信号又称同向正交信号，I为in-phase（同相），Q为quadrature（正交），与I的相位相差90°。

IQ信号是连续信号在二维直角坐标系中的映射，通常用于基带信号的转换和重建。

反映在直角坐标图上，IQ信号会变得更容易理解。

图 1 原始信号与IQ二维坐标映射假设图中的绿色线表示一个连续信号S(t)的瞬时幅度A和瞬时相位Φ，S(t)瞬态映射到直角坐标后，得到同相信号I=0.69，正交信号Q=0.40，那么信号的瞬时幅度可以表示为A=√I2+Q2，瞬时相位表示为Φ=tan−1(Q I⁄)。

S(t)信号沿时间轴展开后是一组幅度起伏变化的波形图，不能直观反映信号的所有特征，而映射后的IQ信号展开后，则是一组随时间呈现三维变化的形状，经简单换算后即可获得信号幅度和相位的变化规律。

图 2 S(t)信号波形图 3 映射后的IQ信号波形映射后的IQ信号可以很方便的提取原始信号的瞬时幅度和瞬时相位等特征，从而得以重建信号S(t)。

可以说，IQ信号就是原始信号在三维坐标系中的真实映射，完整反映了信号的所有特征。

那么IQ调制具体又是怎么回事？在无线通信系统中，发射端为了实现无线信号在空中远距离传输，需要将低频基带信号通过一定的方式调制到高频载波信号上形成已调信号；接收端在收到已调信号后，则采用与调制相反的过程把基带信号从已调信号中分离出来。

图 4 模拟通信模型图 5 数字通信模型在传统模拟通信中，使用单个乘法器实现信号调制过程，假定低频基带信号频率为a，高频载波信号频率ω0，则基本的调制原理如下：cos a×cosω0=12⁄[cos(ω0+a)−cos(ω0−a)]可以看到单一的乘法器调制，可以将低频信号调制到高频载波上，但也因此得到两个信号发射频率ω0+a、ω0−a，由于信号传输时需要单一信道、单一频率，需要在信号发射前滤掉其中的高频频率ω0+a。

16QAM星座图
下图是16QAM的星座图，图中f1(t)和f2(t)是归一化的正交基函数。

各星座点等概出现。

在归一化正交基下，每个点的长度平方就是该点所对应的信号的能量。

图中16个点按能量可分为3种：靠近原点的4个点能量是2，4个顶点能量各为18，其余8个点能量是10。

平均能量是Es=10。

星座图中最近的距离与解调误码率有很密切的关系。

上图中的最小距离是dmin=2。

很明显，加大发射功率（提高Es）就能加大dmin，减小误码率。

为了比较星座设计的好坏，我们经常比较按Es归一化的平方最小距离，即(dmin)^2/Es，就此图来说是0.4
16QAM的每个星座点对应4个比特。

哪个星座点代表哪4比特，叫做星座的比特映射。

通常采用格雷映射，其规则是：相邻的星座点只差一个比特。

例如对于QPSK星座，4个点处在第1、2、3、4象限，格雷映射比如是：00、01、11、10；也可以是00、10、11、01；也可以是其他。

对于上述16QAM，考虑第1象限4个点的格雷映射, 已知(3,3)是0000,(1,1)是0101 。

这4个点只能代表2比特，因此它们一定有两个比特是相同的。

即这4个点都是0x0x。

标为x的这4个点自身如同一个QPSK星座，所以仿照QPSK的映射方法可以写出：(3,3):0000, (1,3):0001,(1,1):0101, (3,1): 0100。

数字调制技术：如何优雅的学习QPSK，IQ调制与星座图？最近很多⼩伙伴在学习5G技术，作为⼀名有为青年，当然要跟上潮流，不能落伍！咳咳，但班长要告诉⼤家，如果想对4/5G有深⼊的认识，⾯⼉上⾯的东西当然要了解，应对各种吃饭吹⽜场景；⾥⼦的内容更要费⼼。

所以，⼀些通信基础还是要复习下的，不然会进⼊⼀种混浊状态的。

抑能知其然，未知其所以然者也。

——唐代李节《饯潭州疏⾔禅师诣太原求藏经诗序》班长最近⼀直在吭哧的更新通信基础知识，为后续的5G系列作预备⽂章！⾔归正传，今天的主题是：数字调制技术争取少⽤公式！图1 数字调制技术海报还记得早期的ADSL拨号上⽹吗？电脑通过电话线进⾏上⽹。

本来的这个电话线是⽤来传输话⾳信号的，是如何传输计算机的'0''1'数字⽐特流的呢？图2 ADSL组⽹是这个Modem调制解调器的功劳。

计算机可以通过调制解调器，再通过电话线进⾏上⽹。

调制解调器就是把数字⽐特转化成不同的⾳调，这些⽤⾳调是可以在电话线上传播的模拟信号。

这些⾳调我们称之为符号，每个⾳调可以表⽰多个⽐特。

如果1个符号表⽰两个⽐特，那么需要有四个可供选择的符号(对应于可产⽣四个不同的⾳调)，⽤来表⽰数字序列00、01、10和11。

如果调制解调器播放每秒1000个⾳调组成的旋律，则符号速率为每秒1000个符号，这个速率我们叫做波特率。

图3 波特率与⽐特率每个⾳调(即符号)由两个数字⽐特组成，因此⽐特率是符号速率的两倍，即每秒2000bits。

OK，这个就是⼀个典型的数字调制数字调制，就是⽤数字信号去调制模拟载波信号。

数字调制可以认为是将数字信号转换成模拟信号，解调或检测的过程就是将模拟信号再转换为数字信号。

这个转换过程也叫做⽐特映射BitMapping。

数字调制的基本⽅法是调幅、调相和调频，所有其他的调制⽅法都是这三种⽅式的组合。

这三种调制⽅法在教材上称为:1. 调幅，幅移键控，Amplitude-shift keying (ASK)2. 调相，相移键控，Phase-shift keying (PSK)3. 调频，频移键控，Frequency-shift keying (FSK)图4展⽰了这三种调制⽅式，相⽐模拟调制，是不是看起来简单多了，也更亲切？图4 ASK/PSK/FSK调制图4中传输的⽐特要不为1，要不为0，总共就两种可能，所以我们可以⽤两种不同的振幅、相位或者频率来区别！ASK给定⼀个载波信号，然后如果数字信号是1，那么载波振幅不变，如果数字信号是0，那么载波振幅给我变成0，这样就获得了⼀个ASK信号。

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。

数字通信中几种调制方式的星座图由于实际要传输的信号（基带信号）所占据的频带通常是低频开始的，而实际通信信道往往都是带通的，要在这种情况下进行通信，就必须对包含信息的信号进行调制，实现基带信号频谱的搬移，以适合实际信道的传输。

即用基带信号对载波信号的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。

因为正弦信号的特殊优点（如：形式简单，便于产生和接受等），在大多数数字通信系统中，我们都选用正弦信号作为载波。

显然，我们可以利用正弦信号的幅度，频率，相位来携带原始数字基带信号，相对应的分别称为调幅，调频，调相三种基本形式。

当然，我们也可以利用其中二种方式的结合来实现数字信号的传输，如调幅-调相等，从而达到某些更加好的特性。

一．星座图基本原理一般而言，一个已调信号可以表示为：()()cos(2)N m n k s t A g t f t πϕ=+ 0t T ≤< （1）00001,2......1,2.......1,2........1,2........N N m m n n k k ====上式中，()g t 是低通脉冲波形，此处，我们为简单处理，假设()1g t =，0t T <≤，即()g t 是矩形波，以下也做同样处理。

假设一共有0N （一般0N 总是2的整数次幂，为2，4，16，32等等）个消息序列，我们可以把这0N 个消息序列分别映射到载波的幅度m A ，频率n f 和相位k ϕ上，显然，必须有 0000N m n k =⨯⨯才能实现这0N 个信号的传输。

当然，我们也不可能同时使用载波信号的幅度、频率和相位三者来同时携带调制信号，这样的话，接收端的解调过程将是非常复杂的。

其中最简单的三种方式是：(1).当n f 和k ϕ为常数，即0000,1,1m N n k ===时，为幅度调制(ASK)。

(2).当m A 和k ϕ为常数，即00001,,1m n N k ===时，为频率调制(FSK)。

IQ调制中载波泄露的来源及量化方式本文主要介绍IQ调制过程中载波泄露的来源及量化方式，及IQ Offset、幅度不平衡及正交偏差对星座图的影响1.IQ 调制过程中载波泄露的来源及如何量化载波泄露要了解载波泄露的来源，需要从模拟IQ调制器的结构说起。

IQ调制器的关键部件是混频器，无论混频器的性能如何优异，总是存在LO馈通(泄露)的，而IQ调制采用零中频架构，LO频率就是载波频率，故LO馈通是载波泄露的来源之一。

图1. IQ调制器的本振馈通引起的载波泄露除了混频器的LO馈通外，模拟IQ 信号的直流分量(DC)是另外一个载波泄露来源。

对于PSK 和QAM 数字调制方式而言，数字IQ 信号的正、负电平可能不能完全中和，这意味着当经过DAC 转换为模拟IQ 信号后将存在直流分量。

另外，DAC 由于自身的不理想，本身可能也会引入一定的直流分量。

对于模拟IQ 信号包含的直流，通常称为IQ Offset。

图2. 模拟IQ 信号上的DC 会造成载波泄露对于LO 馈通引起的载波泄露，这完全取决于IQ 调制器本身，已无法改变。

下面只讨论由于模拟IQ 信号携带的直流分量引起的载波泄露。

为了量化载波泄露，并使之具有普遍适用性，假设模拟I和Q信号分别引入了一定的直流成分I offset和Qoffset，二者分别是相对于各自信号振幅的相对值。

可见，此时s（t）包含两部分：上边带和载波泄露。

通常采用载波抑制度描述载波泄露多少，定义为载波泄露功率相对于主边带功率的大小。

对于本例，载波抑制度为：值得一提的是，如果给出的模拟IQ 信号的直流成分定义方式不同，所推导出的载波抑制公式会有所不同，但是推导方式类似。

2.IQ Offset、幅度不平衡及正交偏差对星座图的影响上面以及之前的文章均从比较简单的单边带信号着手推导了载波抑制度、镜频抑制特性，对于复杂数字调制信号，IQ offset、幅度不平衡及正交偏差也同样会带来严重的影响。

此处以QPSK 调制为例，分别介绍这三个因素对星座图造成的影响。

IQ调制、成型滤波及星座映射现代通信中，IQ调制基本上属于是标准配置，因为利用IQ调制可以做出所有的调制方式。

但是IQ调制到底是怎么工作的，为什么需要星座映射，成型滤波又是用来干嘛的。

这个呢，讲通信原理的时候倒是都会泛泛的提到一下，但由于这部分不好出题，所以通常不会作为重点。

但换句话说即使目前国内的大部分讲通信原理的老师，恐怕自己也就是从数学公式上理解了一下。

真正的物理上的通信过程是怎么样的，恐怕他们也不理解。

所以说到底国内的通信课程，大多都停留在“黑板通信”的程度，稍微好一点的呢，做到的“仿真通信”的程度。

离实际的通信工程差距很大。

这一方面是由于通信系统确实比较庞大，做真实的实验确实难以实施。

另外一方面嘛，呵呵……所以我决定还是要专门开贴来讲一下这个问题，因为我理解这个问题大概用了两年多的时间，到现在为止恐怕也不能算是完全搞明白了。

每思至此，我总是会感慨通信博大精深，要做一名合格的通信工程师是非常不容易的。

相反，想成为“专家”仿佛还要简单一点，因为只需要抓住一点穷追猛打，至于其它的么……谁愿意研究谁研究，反正老子不管……首先从IQ调制讲起吧。

所谓的IQ调制，冠冕堂皇的说法无法是什么正交信号如何如何……其实对于IQ调制可以从两个方面来直观的理解，一个是向量，一个是三角函数。

首先说一说向量，对于通信的传输过程而言，其本质是完成了信息的传递。

信息如何传递？信息本身是无法传递的，必须要以信号为载体，以物理世界中的信号某个特征来表示这个信息。

那么有哪些特征可以表示呢，对于一个物理世界中存在的信号而已，无非就三个特征：相位、幅度、频率。

其中频率和相位可以通过一定的关系等价出来。

那么主要就是相位和幅度了。

好了，我们回到向量上面来。

在一个二维平面里面，一个向量的信息同样可以转换为幅度（模）和相位（夹角）来表示。

反过来时候，一个给定的向量，由于其模和夹角不同，可以通过该给定的向量表示一定的信息。

如下图所示的QPSK调制：四个向量由于和X轴正半轴的夹角不同，可以分别表示出4个值。