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一、通信系统模型

通信就是传输信息，将信息从一个地方传输到另一个地方。

包括模拟通信系统和数字通信系统。

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其中包含两种重要变换。第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号（用各种传感器，比如咪头、摄像头），在接收端进行相反的变换。这种变换、反变换由信源和信宿来完成。这里所说的原始电信号通常称为基带信号，基带的含义是基本频带，即从信源发出或送达信宿的信号的频带，它的频谱通常从零频附近开始，如语音信号的频率范围为300Hz~3400Hz,图像信号的频率范围为0~6MHz。有些信道可以直接传输基带信号，而以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传输这些信号。因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换，即把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号（未经过调制的是调制信号），它应有两个基本特征：一是携带有信息；二是其频谱通常具有带通形式，因而又称带通信号。

1. 信源编码与译码

信源编码有两个基本功能：

一是提高信息传输的有效性，即通过某种压缩编码技术设法减少码元数目以降低码元速率。

二是完成模/数(AD)转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字传输。信源译码是信源编码的逆过程。

2. 信道编码与译码

信道编码的作用是进行差错控制。数字信号在传输过程中会受到噪声等影响而发生差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督码元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。

3. 数字调制与解调

数字调制是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对（差分）相移键控(DPSK)。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。

4. 同步

同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步的功用不同，分为载波同步、位同步、群(帧)同步和网同步。需要说明的是：同步单元也是系统的组成部分。上述是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括所有环节，例如数字基带传输系统中，无需调制和解调。

根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通传输系统。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如市内电话、有线广播；带通传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多，表1列出了一些常见的调制方式。

二、数字调制和矢量调制

数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和/或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制(基带)信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见下图。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。

基于具体的应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案，例如幅度调制(AM)、频率调制(FM)或相位调制(PM) 来完成。不过在实际系统中，通常使用矢量调制(又称为复数调制或 I-Q 调制)作为替代。矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中，基带数字信息被分离成两个独立的分量: I (同相)和 Q (正交)分量。这些 I 和 Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和 Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量(正交)。在下面的讨论中你将进一步了解 I 和 Q 分量，以及数字系统使用它们的原因。

理解和查看数字调制的简单方法是使用下图4 所示的 I-Q 矢量图。在大多数数字通信系统中，载波频率是固定的，因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考，根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。相位和幅度可以作为 I-Q 平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见下图。I 代表同相位(相位参考)分量,Q 代表正交 (与相位相差 90 °)分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算来表示这个点,这就是 I-Q 调制的原理。将载波放入到 I-Q 平面预先确定的某个位置上，然后发射已编码信息。每个位置或状态(或某些系统中状态间的转换)代表某一个可在接收机上被解码的比特码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间(接收机转换信号时)在 I-Q 平面的映射称为星座图。参见图5。一个符号代表一组数字数据比特，它们是所代表的数字消息的代号。每个符号包含的比特数即每符号比特数(bit)由调制格式决定。例如，二进制相移键控(BPSK)使用 1 bit，正交相移键控(QPSK)使用 2 bit，而 8 相移键控(8PSK)使用 3bit。理论上，星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响，会引起这些状态发生扩散(每个状态周围有分散的点呈现)。图 5显示了 16 QAM 格式(16 正交幅度度调制)的星座图或状态图; 注意，此时有 16 个可能的状态位置。该格式使用 4 比特数据串，编码为单个幅度/相位状态或符号。为了产生这一调制格式，基于被传输的代码，I 和 Q 载波都需采用 4 个不同的幅度度电平。

IQ调制有两个载波，如果用三个四个呢。

在数字调制中，信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多，给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要，因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的 16QAM 格式使用每符号 4 比特的速率。如果无线传输速率为 16 Mbps，则符号率= 16 (Mbps)除以 4 比特即 4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽(4 MHz 相对 16 MHz)。

那这样星座状态越多越好了。

三、I-Q调制解调

在数字通信中，I-Q 调制将已编码的数字 I 和 Q 基带信息放入载波中。参见图 6。I-Q调制生成信号的 I 和 Q 分量。从根本上讲，它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。

看待信号的视角发生了变化，在极坐标下更加的方便。

I-Q 调制接受 I 和 Q 基带信号作为输入，并将它们与相同的本地振荡器(LO)混合。注意，这个可能是数字(软件) LO（比如FPGA的NCO）。下面，I 和 Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度信息调制载波生成同相分量，Q 幅度信息调制 90° (直角)相移的载波生成正交分量，这两种正交调制载波信号相加生成复合 I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号，随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。

以 90°分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和 Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的，它们是同一信号的两个独立分量。虽然 Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号，但不会对 I 分量造成任何影响。同样地，I 输入的变化也不会影响到 Q 信号。更容易分解和分析。

如图 7 所示，I-Q 解调是图 6所示的 I-Q 调制的镜像。I-Q 解调从复合 I-Q 调制输入信号中恢复原始的 I 和 Q 基带信号。

这里需要锁相环，锁定频率。

解调过程的第一步是将接收机 LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复 I 和 Q 基带分量，必须要把接收机 LO 锁相至发射机载波(或混频器 LO)。随后，I-Q 调制载波与未相移的 LO 和相移 90°的 LO 混合，生成原始的 I 和 Q 基带信号或分量（频谱搬移回基频，滤除高频分量）。

从根本上讲，I-Q 解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换，信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图 4。这种转换与I-Q 解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。

下面我们给出正交调制解调的数学模型。I 路和 Q 路分别输入两个数据 a 和 b，I 路信号与 $cosw_{0}t$ 相乘，Q 路信号与 $sinw_{0}t$ 相乘，之后再叠加（通常 Q 路在叠加时会乘以-1），输出信号为： $s(t) = acosw_{0}t-bsinw_{0}t$ 。至此完成解调。

接收端收到 s(t)后，分为两路：

一路乘以再积分，就可以得到a：

另一路乘以 $-sinw_{0}t$ 再积分，就可以得到 b:

其中，T 是 $T_{0}=2\pi /w_{0}$ 的整数倍即可。

四、为什么使用I和Q

数字调制使用 I 和 Q 分量，因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。I-Q 域中的调制信号具有很多优势 :

a. I-Q 的实现提供一种生成复信号(相位和幅度均改变)的方法幅度。I-Q 调制器不使用非线性、难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到，基于基带和中频软件的 LO 也是。为生成复调制信号，只需产生信号的基带 I 和 Q 分量。I-Q 调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。

b. 信号的解调也同样简单明了。使用 I-Q 解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。

c. 在 I-Q 平面上观察信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及 AM-PM失真等用其它方法难以呈现的现象在 I-Q 平面上可以轻松查看。

五、数字通信发射机的概念

通信发射机开始于语音编码(假设进行语音传输 )，即对模拟信号进行量化并转化为数字数据(数字化)的过程。随后，数据压缩用于降低数据速率并提高频谱效率。信道编码和交织属于常见技术，通过最小化噪声与干扰的影响来改进信号完整性。额外的比特经常被用来进行误差校准或者作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使与接收机的同步(找寻符号时钟)更简单。符号编码器将串行比特流转换为适当的 I 和 Q 基带信号，对应具体的系统每个信号映射到 I-Q 平面上符号。符号时钟代表各个符号传输的频率和精确计时。当符号时钟跳变时，发射载波在正确的 I-Q (或幅度/相位)值上代表具体的符号(星座图的特定点)。各个符号的时间间隔即为符号时钟周期，其倒数是符号时钟频率。当符号时钟与检测符号的最佳瞬时同步时，符号时钟相位是正确的符号。

一旦 I 和 Q 基带信号生成后，它们会被过滤(带限)以提高频谱效率。未经过滤的无线数字调制器的输出会占用非常宽的带宽(理论上是无限宽)。这是因为调制器被基带 I-Q 方波的快速跳变所驱动；时域上的快速跳变等同于频域上的宽频谱。这种情况不可接受是因为它会减少其他用户的可用频谱并造成对邻近用户的信号干扰，称之为邻信道功率干扰。基带滤波通过限制频谱以及限制对其它信道的干扰解决了这一问题。实际上，滤波减缓了状态之间的快速转换，从而限制了频谱。不过滤波也不是没有缺点，它会导致信号和数据传输性能的下降。

脉冲成型滤波器吗，使得方波变得平缓，没有跳变沿，就不需要无限宽的频谱。

信号质量的下降是由于频谱分量的减少、过冲以及滤波器时间(脉冲)响应引起的有限振铃效应（振铃响应是由于滤波器的非理想特性导致的震荡衰减现象）。频谱分量减少了就会使信息丢失，从而可能导致接收机重建信号困难，甚至是不可重建的。滤波器的振铃响应可能持续很久，以致影响到随后的符号，并产生码间串扰(ISI)。ISI 定义为前后符号的多余能量干扰到当前的符号，导致接错误地解码。滤波器的最佳选择就成为频谱效率和 ISI 的折衷。

已过滤的 I 和 Q 基带信号是 I-Q 调制器的输入。调制器中的 LO 可能工作在中频(IF)或直接工作在最终的无线射频(RF)上。调制器的输出是中频(或射频)上的两个正交 I 和 Q信号的合成。调制后，如果需要，信号会上变频到射频。再将任何多余的频率过滤掉，最后信号送入到输出放大器并传输。