IQ解调芯片相位如何同步

IQ 调制概述

IQ 调制中，两个正交信号（频率相同，相位相差 90 °的载波，一般用 Sin 和 Cos表示）与 I（In-Phase，同相分量）、Q（Quadrature Phase，正交分量）两路信号分别调制后一起发射，从而提高频谱利用率。

现代通信系统为了使频谱利用率更高，用了许多种矢量调制，如 BPSK、QPSK、QAM等。而对于数字信号而言是不会区分一个信号是不是矢量的，所以就用 IQ 调制这种方式，使数字和模拟之间搭起了矢量的桥梁。

IQ调制的优点：

频谱效率：IQ调制通过在同一频带内传输两个独立的信号分量（I和Q），有效地提高了频谱的使用效率；灵活性：IQ调制可以很容易地实现多种调制方案，如BPSK、QPSK、QAM等，只需改变I和Q分量的映射方式；信号处理方便：IQ调制信号可以方便地在模拟域和数字域之间转换，使得信号处理更加灵活；抗干扰能力强：由于I和Q分量是正交的，它们可以独立地携带信息，这有助于抵抗干扰和噪声；容易实现：IQ调制可以通过简单的模拟电路或数字信号处理来实现，这使得它在硬件设计中非常实用； 星座图清晰：在数字通信中，IQ调制可以生成清晰的星座图，有助于信号的解调和性能分析；高数据速率：IQ调制允许在固定的频带宽度内传输更多的数据，因为它利用了两个正交的信号分量；相位敏感：IQ调制可以传输相位信息，这对于相位敏感的调制方案（如PSK和QAM）至关重要；易于实现载波恢复：在接收端，可以使用IQ调制信号的两个分量来实现载波恢复，这对于信号解调非常重要；适用于宽带应用：IQ调制适用于宽带通信系统，如LTE、Wi-Fi和卫星通信，因为它可以有效地处理宽带信号；可扩展性：IQ调制方案可以很容易地扩展到MIMO（多输入多输出）系统，进一步提高数据速率和信号质量；降低互调干扰：由于I和Q分量的正交性，IQ调制可以减少互调干扰（IMD）的影响，提高信号的质量和系统的线性。

应用场景：

1. 移动通信：在4G和5G等移动通信技术中，IQ调制用于实现高速数据传输。通过使用不同的调制技术（如QPSK、16QAM、64QAM等），IQ调制能够提供不同的数据速率和频谱效率，满足现代移动通信对高数据速率和高容量的需求。

2. 数字电视广播：在数字电视广播中，IQ调制允许在相同的频带宽度内传输更多的节目或数据服务。例如，使用IQ调制的DVB-T（Digital Video Broadcasting - Terrestrial）标准，能够在有限的频谱资源中传输高质量的数字电视信号。

3. 卫星通信：IQ调制技术在卫星通信中用于提高频谱利用率和信号质量。通过使用高阶调制技术，如QAM，可以在卫星链路上实现更高的数据速率，同时保持信号的稳定性和可靠性。

4. 软件定义无线电（SDR）：在SDR中，IQ调制是实现信号处理的关键技术之一。SDR平台通常包括数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA），它们利用IQ调制技术来实现各种通信协议和标准，从而提供灵活性和可扩展性。

IQ信号的调制过程：

如下图所示，I 和 Q 两路信号分别与 Sin 和 Cos 两个信号相乘后再相加，输出的就是 IQ 已调信号。

图1：IQ合成原理图

对于IQ调制的过程，以Rigol的DSG836A为例，使用上位机UltraIQstation可以控制DSG836A输出IQ调制信号。

图2：DSG836A

图3：UltraIQstation上位机软件

在上位机内输入相应的参数，如：数据类型、码率、数据长度、调制类型、编码方式、滤波器类型、脉冲长度、过采样等。

再把电脑和DSG836A相连，编译输出，打开DSG836A 的RF和MOD，DSG836A就会在RF口输出IQ调制信号。

IQ信号的解调过程：

图4：IQ信号解调原理图

IQ信号的解调过程涉及将调制的信号恢复为原始信息信号。以下是IQ信号解调的一般步骤：

1. 下变频（下转换）：接收到的射频（RF）信号通常先被下变频至中频（IF）或基带。这一步涉及将接收到的信号与本地产生的振荡信号（本振）相乘，本振频率与要解调的信号频率相同，实现信号的频率下降  。

2. 正交解调：下变频后的信号被分成两个正交分量，即I（同相）和Q（正交）分量。这通常通过两个混频器（或等效的电子电路）实现，一个与本振的余弦波相乘以提取I分量，另一个与本振的正弦波相乘（可能还要加上一个90度的相位延迟）以提取Q分量  。

3. 低通滤波：每个分量（I和Q）通过一个低通滤波器（LPF）来去除高频部分，只保留原始的信息信号  。

4. 采样和决策：经过滤波的I和Q分量随后被采样和量化，恢复成数字信号。在数字通信系统中，这些采样值将根据预定的调制方案（如BPSK、QPSK、16QAM等）进行判决，以恢复出传输的数据比特  。

5. 同步：为了准确解调，接收端需要与发射端的时钟同步，这通常通过时钟恢复电路实现。

6. 纠错处理：在信号传输过程中可能会有噪声和干扰，因此解调过程后通常还会有纠错编码（如CRC）来检测和纠正可能发生的错误。

通过这些步骤，IQ调制的信号可以被准确地解调，恢复出原始传输的信息。

对于IQ解调的过程，以Rigol的RSA5065N为例，使用其VSA功能可以对IQ信号进行解调。

图5：RSA5065N

图6：VSA模式

左上角的窗口1是测量数据的时域图，显示的格式是I-Q，星座图的点数为2×2。

左下角的窗口2是测量数据的频域图，显示的格式为对数。

右上角的窗口3是码元数据，用于显示IQ解码后的数据。

右下角的窗口4是误差概要，用于显示误差的相关参数。

在VSA模式下，RSA5000提供了以下针对IQ调制信号的解码与分析功能：

1. 解调能力：VSA模式支持多种IQ调制格式，包括但不限于BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM等，能够对这些调制信号进行准确解调。

2. 眼图分析：眼图是一种用于衡量信号质量的工具，VSA模式可以生成I通道和Q通道的眼图，帮助用户分析信号的时序特性和幅度特性。

3. 星座图：星座图能够直观地显示信号在复平面上的分布情况，VSA模式提供了星座图的绘制功能，便于观察信号的调制质量和信道效应。

4. 误差向量测量：通过比较测量信号和参考信号之间的差异，VSA模式可以评估信号的误差向量幅度（EVM）等参数，这是衡量信号调制质量的重要指标。

5. 频谱分析：除了解码IQ调制信号，VSA模式还能够对信号进行频谱分析，分析信号的频谱特性，包括功率分布、频带宽度等。

6. 数据捕获与分析：VSA模式支持长时间和高速的数据捕获，用户可以捕获并分析信号的时间序列数据，进行深入的信号分析。

7. 触发与同步：VSA模式提供了灵活的触发功能，包括频率掩模触发（FMT）和时间触发，确保能够同步捕获感兴趣的信号事件。

8. 自动化与编程：VSA模式支持通过脚本和自动化命令进行复杂的测量任务，便于集成入自动化测试环境。

通过这些高级功能，RSA5000的VSA模式成为了射频和无线通信工程师在研发、测试和故障排查过程中不可或缺的工具。