IQ正交调制及星座图

 

　　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。

　　正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度(π/2)的正弦波，因此被称作正交载波。这种调制方式因此而得名。

　　图1中的QAM调制器中I和Q信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是Q信号的相位与I信号相差90o。具体关系如下图所示，当I的幅度为1的时候，Q的幅度为0，而当I的幅度为0的时候，Q的幅度为1，两个信号互不相干，相位相差90o，是正交的。

　　

 

　　模拟信号的相位调制和数字信号的PSK可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。由此，模拟信号频率调制和数字信号FSK也可以被认为是QAM的特例，因为它们本质上就是相位调制。

　　I-Q的调变信号可由同相载波和90度相移的载波相加合成，在电路上下直接牵涉到载波相位的改变，所以比较好实现。其次，通常I-Q图上只有几个固定点，简单的数字电路就足以腾任编码的工作。而且不同调变技术的差异只在于I-Q图上点的分布不同而已，所以只要改变I-Q编码器，利用同样的调变器，便可得到不同的调变结果。

　　I-Q解调变换的过程也很容易，只要取得和发射机相同的载波信号，解调器的方块图基本上只是调变器的反向而已。从硬件的开点而言，调变器和解调器的方块图上，没有会因为I-Q值的不同(不同的I-Q调变技术)而必须改变的部份，所以这两个方块图可以应用在所有的I-Q调变技术中。

　　

 

　　附：QAM解调各点波形

　　

 

　　星座图：

　　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。信号可以以幅度和相位表示为极坐标的形式。相位是对基准信号而言的，基准信号

　　一般是载波，幅度为绝对值或相对值。

　　

 

　　在数字通信中，通常以I、Q表示，极坐标中I轴在相位基准上，而Q轴则旋转90度。矢量信号在I轴上的投影为I分量，在Q轴上的投影为Q分量。下图显示I和Q的关系。

　　

 

　

　QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。相位 + 幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率，从而可获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽。因此每个符号的比特(基本信息单位)越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为2n,这里n是每个符号的比特数。对于16QAM，n = 4，因此有16个符号，每个符号代表4 bit：0000, 0001,0010等。对于64QAM，n = 6，因此有64个符号，每个符号代表6bit：000000，000001，000010等。

　　以上就是QAM调制的基本原理。经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8种不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号正交。这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上为图5所显示的64QAM星座图。

　　

 

　　每一个星座点对应一个一定幅度和相位的模拟信号，这个模拟信号再被上变频到射频信号发射出去。这里再顺便说明一下模拟调制和数字调制的区别：模拟调制和数字调制之间的差别在于调制参数。在这两种方案中，改变的是载波信号的幅度、频率或相位(或是它们的组合)。在模拟调制中载波参数按连续的模拟信息信号改变，而在数字调制中，参数(幅度、频率或相位)按离散的数字信息改变。