作者：Signal Blue LLC總裁Bob Witte撰文

調制對于電子通信至關重要。調制信號本質上可以是模擬的（語音或音樂）或數字位流。大多數現代通信系統都是數字的，使用離散的幅度或相位電平來表示正在傳輸的數據。可以可靠地從發送器傳輸到接收器的獨特條件越多，在給定的時間段內可以發送的數據越多。正交調制廣泛用于5G及以下的數字通信系統。

調制背后的基本思想是通過調制信號來控制RF載波的一個或多個參數。在數學上，我們可以這樣表示：

其中：
a（t）是調幅（AM）項
Θ（t）是調相（PM）項
fc是載頻

該信號的幅度由a（t）控制，相位由Θ（t）控制。為了實現幅度調制（AM），我們將調制信號應用為a（t），并將Θ（t）設置為零。類似地，調相（PM）信號將具有設置為常數的（t），并且調制信號將被施加至Θ（t）。現在，我們將忽略頻率調制（FM），但將顯示可以使用PM創建FM。

矢量表示
矢量表示是通過定義同相（I）和正交（Q）分量來表示調制信號的便捷方法。

使用觸發身份：

圖1以圖形方式顯示了這一點，其中I分量在水平軸上，而Q分量在垂直軸上。這種格式對EE來說應該很熟悉，它基于正弦和余弦函數之間的90度相位偏移。

圖1：矢量圖表示調制信號的幅度和相位。（改編自參考文獻1）

通過以下等式，調制信號的幅度和相位與I和Q分量相關：

我在方程式中保留了“（t）”，以強調這些變量是時間的函數，通常會根據所應用的調制而變化。對于經典AM，可以想象矢量在長度（振幅）上變化而相位角保持不變的情況。對于PM，請想象相反的情況：矢量的振幅保持恒定，但是角度根據調制而變化。用力蹲下，您可以看到矢量實時移動。

現在，這似乎只是一堆瑣事，但正交調制通常是在具有框圖的系統中實現的，如圖2所示。

圖2：正交調制器使用正弦和余弦函數來調制振蕩器的載波。

我們可以將i（t）視為控制同相（余弦）部分，將q（t）視為控制正交（正弦）部分。將它們加在一起可創建所需的輸出信號。可以使用模擬或數字技術（或兩者的組合）來實現此框圖。已經使用這兩種方法創建了實用的系統，但是毫不奇怪，明顯的趨勢是使用數字電路和數字信號處理。

圖2表示正交調制系統的發送端。在接收端，將有一個相應的正交檢波器，該檢波器從調制波形中提取I和Q信號。

數字調制
正交調制可用于實現無數種調制方案，但對于數字調制具有最大的價值。例如，使用向量的相位的數字調制被稱為相移鍵控（PSK）。

圖3顯示了PSK的兩個示例：4-PSK使用四個不同的相位來產生四個調制狀態。（請注意，幅度保持恒定。）圖3僅顯示了矢量的尖端將落在的位置，這是顯示這些狀態的常用方法。這種類型的圖通常稱為星座圖。因為調制格式具有四個可能的狀態，所以每個調制狀態都可以表示兩個二進制值（在圖中顯示為00、01、10、11）。

圖3：簡單PSK信號的星座圖（來自參考文獻3）

圖3還顯示了8-PSK，它使用相位調制來創建八個調制狀態。該圖顯示了三位的邏輯狀態。具有更多的調制狀態可以使系統在給定的時間內傳輸更多位的信息（以存在噪聲的情況下增加的錯誤率為代價）。

正交幅度調制（QAM）同時使用幅度和相位來添加其他調制狀態。圖4顯示了16-QAM（具有16種狀態）。想象一下我們的調制矢量在跳動，基于數字調制指向這些狀態中的每一個。為了簡化起見，圖中未顯示邏輯值，但是將調制狀態映射為16個值，代表4位信息。

圖4：16-QAM信號的星座圖（來自參考文獻3）

FM呢？
如您所見，調制載波的幅度和相位是創建調制載波的一種靈活方法。盡管FM是1920年代的一種古老技術，但今天仍然在廣播和陸地移動無線電等應用中使用FM。我們如何使用正交調制實現FM？

通常，瞬時頻率是瞬時相位的導數（參考文獻4）。

其中f（t）是瞬時頻率，θ（t）是瞬時相位。

對于FM，瞬時頻率必須根據調制信號而變化。

其中kd是偏差常數，m（t）是調制信號。

解決所需的相位信號，我們得到：

該結果表明，我們可以通過提供作為調制信號不可或缺的相位調制來創建FM信號。（是的，我忽略了積分的初始條件。）

可以使用模擬積分器或等效的數字算法創建所需的PM信號。因此，正交調制器可以使用PM產生FM信號。

正交調制和I / Q信號廣泛用于電子通信系統中。特別地，數字調制充分利用了正交調制系統。但是，可以產生任何基于載波的調制，包括傳統調制類型，例如AM和FM。I和Q數字流的概念由于其靈活性而在許多電子通信系統中使用，并已成為表示調制信號的事實上的標準。

參考

• 頻譜和網絡測量（第2版），第6.12節“正交調制”，Robert A. Witte，科學與技術出版，2014年。
• “通信系統中的數字調制-簡介”，應用說明，出版號5965-7160E，是德科技，2014年。
• “調制方案：使用模擬信號移動數字數據”，EE Times的安德魯·戴維斯（Andrew W. Davis），EE Times，1997年10月4日。
• “瞬時相位和頻率”，維基百科。

編輯：hfy