本文的目的：了解“ I / Q”信号，如何使用以及為什麼它們在RF系統中具有優勢。
如果沒有有關正交解調方面的文章，則本文将不完整。但是，在探讨正交解調之前，我們至少需要簡要地讨論一下正交調制。而在讨論正交調制之前，我們需要了解I / Q信号。
同相和正交
術語“ I / Q”是“同相(“in-phase”)”和“正交”(“quadrature”)的縮寫。不幸的是，我們已經遇到了術語上的問題。首先，“同相”和“正交”本身沒有意義。相位是相對的，相對于另一個信号或已建立的參考點，某些東西隻能是“同相”或“異相”。此外，我們現在将“正交”一詞應用于某種信号以及與該信号相關的調制/解調技術。
無論如何，“同相”和“正交”是指兩個具有相同頻率并且相差90°的正弦波。按照慣例，I信号是餘弦波形，而Q信号是正弦波形。如您所知，正弦波(沒有任何附加相位)相對于餘弦波偏移90°。另一種表達方式是正弦波和餘弦波互相正交。
了解I / Q信号的第一件事是它們始終是幅度調制的，而不是頻率或相位調制的。但是，I / Q幅度調制與之前我們在文章中讨論的AM技術不同：在I / Q調制器中，調制I / Q正弦波的信号不會移位，是以它們始終為正。換句話說，I / Q調制涉及通過調制可能具有負電壓值的信号來倍增I / Q波形，是以“幅度”調制可能會導緻180°相移。在本文的後面，我們将更詳細地探讨此問題。
對兩個相位相差90°的正弦波進行幅度調制有什麼好處？為什麼I / Q調制和解調在數字通信系統中應用如此普遍？請繼續閱讀。
I/Q信号的求和
I和Q信号本身并不是很有趣，但是當I和Q波形相加時，就會發生有趣的事情。事實證明，隻要改變I和Q信号的幅度，對的，沒錯，僅僅是幅度，然後将它們加在一起，就可以執行任何形式的調制。
如果取等幅的I和Q信号并将其相加，其結果則是一個正弦波，其相位恰好是在I信号的相位和Q信号的相位之間，如下圖所示：
等幅的I和Q信号相加之後的結果
換句話說，如果您将I波形的相位設為0°，将Q波形的相位設為90°，則求和信号的相位将變為45°。 如果要使用這些I和Q信号建立幅度調制的波形，隻需對單個I和Q信号進行幅度調制。 顯然，如果信号是通過将兩個幅度都增大或都減小的信号相加而建立的，則合成之後的信号幅度将相應地增大或者減小。 但是，必須確定應用于I信号的幅度調制與應用于Q信号的幅度調制相同，因為如果它們不相同，則将發生相移。 這将為我們引入I / Q信号的下一個特性。
從幅度到相位
以相移鍵控形式出現的相位調制是現代RF系統中的一項重要技術，并且可以通過改變I / Q信号的幅度友善地實作相位調制。 考慮下面的圖示：
改變I / Q信号的幅度友善地實作相位調制
改變I / Q信号的幅度友善地實作相位調制
如您所見，增大其中一個波形相對于另一個波形的幅度會導緻求和信号向更高幅度的波形偏移。這具有直覺的意義：例如，如果消除了Q波形，則求和将一直移到I波形的相位，因為(顯然)将I波形加到零将導緻求和信号成為與I波形相同的信号。
從上面的讨論中可以看出，I / Q信令隻能用于将信号移位90°(即，每個方向上為45°)：如果Q信号的幅度減小到零，則求和信号直接到I相位;如果将I信号的幅值減小到零，則求和信号直接到Q相位。那麼，我們如何使用I / Q信号來建立(例如)正交相移鍵控(QPSK)，同時讓它覆寫270°範圍的相位值？我們将在下一部分中對此進行讨論。
正交調制
術語“正交調制”是指基于正交的兩個信号之和的調制。換句話說，它是基于I / Q信号的調制。我們将以QPSK為例來說明正交調制的工作原理，在此過程中，我們将了解I / Q信号的幅度調制如何産生超過90°的相移。
正交調制
上圖是QPSK調制器的基本框圖。首先，對數字資料流進行處理，以使兩個串行的bits位變為兩個并行的bit位。這兩個bit位将同時發送。換句話說，如本文中所述，QPSK允許一個符号同時傳輸兩個bits位。本地振蕩器生成載波正弦波。本地振蕩器信号本身成為I載波，并且施加90°相移以建立Q載波。 I和Q載波與I和Q資料流相乘，并且将這些相乘所得的兩個信号相加，以生成QPSK調制波形。
I和Q資料流正在對I和Q載波進行幅度調制，并且如上所述，這些單獨的幅度調制可用于在最終信号中産生相位調制。如果I和Q資料流是從地電平延伸到某個正電壓的典型數字信号，則我們将對I和Q載波應用開關鍵控調制，并且我們在任一方向上的相移都将限制為45°。但是，如果I和Q資料流是雙極性信号(即，如果它們在負電壓和正電壓之間擺動)，則隻要輸入資料為邏輯低(由于負輸入電壓)，我們的“幅度調制”實際上會使反相乘以載波會導緻載波翻轉。這意味着我們将具有四個I / Q狀态：
I正常，Q正常
I正常，Q翻轉
I翻轉，Q正常
I翻轉，Q翻轉
在每種情況下，求和後會産生什麼信号呢？ (請注意，在下面的圖中，選擇了波形的頻率，使得x軸上的秒數與以度為機關的相移相同。)
I正常，Q正常
I正常，Q翻轉
I翻轉，Q正常
I翻轉，Q翻轉
如您所見，上面圖中所示的這四種情況下的求和恰好産生了我們想要的QPSK信号：45°，135°，225°和315°的相移。
總結
- I / Q信号是指使用兩個具有相同頻率和90°相對相移的正弦波。
- 幅度，相位和頻率調制可以通過對幅度調制的I / Q信号求和來實作。
- 正交調制是指涉及I / Q信号的調制。
- 正交相移鍵控可以通過将根據輸入數字資料分别乘以+1或–1的I和Q載波相加來實作。