I/Q信号

2023-10-31

当前的数字射频芯片,无一例外的用到了I/Q信号,就算是RFID芯片,内部也用到了I/Q信号,然而绝大部分射频人员,对于IQ的了解除了名字之外,基本上一无所知。I/Q信号一般是模拟的。也有数字的比如方波。基带内处理的一般是数字信号,在出口处都要进行D/A(数—>模)转换,每个基带的结构图里都有,可以仔细看。

 

I/Q 信号

I/Q 信号是调制输入端为了提高频带利用率而设计的相位正交得两路信号。

在信号分析中,我们常把信号进行矢量分解,也就是将信号分解为频率相同、峰值幅度相同但相位相差90 的两个分量。用矢量表述信号,可以完整地描述信号的幅度、频率和相位。矢量作为一个图解工具,矢量是一个直角坐标系中的旋转的箭头。箭头的长度代表信号的峰值幅度。逆时针旋转方向为正方向。箭头与横轴正半轴的夹角为相位。信号周期对应于箭头旋转一周的时间。信号每秒钟完成旋转的次数对应于信号频率。信号矢量在纵轴上的投影长度等于信号的峰值幅度乘以相位正弦值,因此,如果信号是一个正弦波,该投影就对应于信号的瞬时幅度。通常采用一个正弦信号(Asinwt)和一个余弦信号(Acoswt)描述这两个分量,其中余弦分量被称为同相分量,即I 分量;正弦分量被称为正交分量,即Q 分量。

对信号通常用复数表示,这样它可以分解为实部与虚部。 x(t)= a(t)+jb(t), 即为I,Q 信号。

I/Q 是信号分解,I 或Q 不能单独代表信号全部信息 带一半信号。


I:in-phase  表示同相
Q:quadrature 表示正交,与I相位差90度。

 

现在来解释I Q信号的来源:

 

最早通讯是模拟通讯,假设载波为cos(a),信号为cos(b),那么通过相成频谱搬移,就得到了

 

 

这样在a载波下产生了两个信号,a+b和a-b,而对于传输来说,其实只需要一个信号即可,也就是说两者选择一个即可,另外一个没用,需要滤掉。但实际上滤波器是不理想的,很难完全滤掉另外一个,所以因为另外一个频带的存在,浪费了很多频带资源。

 

进入数字时代后,在某一个时刻传输的只有一个信号频率,比如0,假设为900MHz,1假设为901MHz,一直这两个频率在变化而已,并且不可能同时出现。这个不同于模拟通讯信号,比如电视机,信号的频带就是6.5MHz。还有一个严重的问题,就是信号频带资源越来越宝贵,不能再像模拟一样这么简单的载波与信号相乘,导致双边带信号。

 

大家最希望得到的,就是输入a信号和b信号,得到单一的a+b或者a-b即可。基于此目的,我们就把这个公式展开:

 

 

这个公式清楚的表明,只要把载波a和信号b相乘,之后他们各自都移相90度相乘,之后相加,就能得到a-b的信号了。这个在数字通讯,当前的半导体工艺完全可以做到:


1:数字通讯,单一时间只有一个频点,所以可以移相90度。
2:相加器、相乘器技术很容易实现。

 

如下图:手机GSM射频部分

 


接下来就很好办了,大家知道:I 就是cos(b),Q 就是sin(b)

 

对这两个信号进行组合:

cos(b),   sin(b)

 cos(b), -sina(b)

-cos(b),  sin(b)

-cos(b),  -sin(b)

这个就是IQ信号的四相调制了。

之后为了编码更多的,就在这个里面折腾了,下面的就大家自己看书了。

注意,通过上面分析,大家知道IQ信号应该是正弦波模拟信号,手机上的频率是66KHz,大家在布线的时候一定要保证IQ信号不被干扰,毕竟是模拟信号,不然相乘相加之后就有很多杂波产生了,这个就是杂散了。

 

 

在通信系统中, (语音信号)就是调制和解调所要传送的信息。
而在数字通信系统中,传送的信息是数据。数字调制是将数据数据载在射频载波的过程,而解调则是将数据数据从射频信号中取出的过程。
射频载波信号A cos(2πfct+θ)可供改变的参数只有振幅、频率和相位三种。
改变载波振幅的调变方式称为调幅(AM);
改变载波频率方式称为调频(FM);
改变载波相位的调变方式称为相位调变(PM)。
由于相位的微分即是频率,所以载波信号的振幅和相位可以说是两个主要的调制变量。如果把调制中载波振幅和相位的信息记录下来,即A与θ,并以二维空间的两个变量分别代表振幅和相位,那么极坐标上任意点到原点的距离和相角,正好可以代表载波的振幅和相位,也可以说是代表载波的被调制情况。
极坐标方式的调制表示方法可转化为直角坐标方式,也就是I-Q图。载波振幅和相位可记录为二维空间上的一点,而这一点所代表的向量,在横轴和纵轴上的投影分别为I值和Q值。I为同相位(In-phase)分量,代表向量在横轴上的投影;Q为90度相移(Quadrate)分量,代表向量在纵轴上的投影。这样调制后的数据就分成了两路,同相(I)和正交(Q)分量,这两个分量是正交的,相位相差90度,并且互不相干。调制后我们再分开处理IQ两路,进行中频和射频处理,最后再DAC前合成一路(相加),然后天线发射。在接收端用正交调制相反算法分出IQ两路,分别处理,然后又变成一路供CPU处理。其实这里的调制方式属于通信技术中常用的相干调制的范畴,当然相干调制不一定是正交的,正交适应于BPSK、QPSK中,8PSK等八相以上调制。
     特点:1.从传输线角度来看,I/Q信号是一种双线传输模式,能量主要集中在两线之间。与外界关系不大。以此可以抗击共模干扰。当然,双线间回路面积要小些是前提。
           2.IQ信号本身和抗干扰没多大关系,现代通信系统为了使频谱利用率更高,所以用了许多种矢量调制,如BPSK、QPSK、QAM等等。作为复信号,可以应用单边带形式,节省了信道资源。
           3.可以作为复信号使用,这样在解决很多问题时,会非常方便,比如,我们在仿真中通常可以使用复信号来所运算,这里的I路就是复信号的实部信号,Q路就是复信号的虚部信号。同时对于数字信号而言是不会区分一个信号是不是矢量的,所以采用IQ调制这种方式,应很好地使数字和模拟之间塔起了矢量的桥梁。 
          4.将数据分为I、Q正交的两路来传输,可以降低每路的传输速率为一半,这样可以在低速率信道上传输。

 

例子: QPSK

设输入的二进制数字信息序列为1001001110...,则将它们分为10,01,00,1 1,10,...即经过串并转换后得到I 路信号:10011...,Q 路信号01010...然后I 路与coswt 相乘,Q 路与sinwt 相乘,最后相加得到QPSK 信号。

一般IQ 线都会走差分对形式. 下图为某电路中采用的形式。

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