什么是IQ调制，为什么要用IQ调制？什么是高阶调制

IQ调制小记

信号是如何传递和表示的
在极坐标中表示信号
极坐标和I/Q信号之间的关系
IQ调制是如何实现的
为什么要用IQ调制
高阶调制是如何实现的（16QAM）
IQ调制解调的频谱分析

信号是如何传递和表示的

现实世界中通过电子设备传递的信息，几乎都是承载在电信号上的，包括模拟信号和数字信号，无论是模拟信号还是数字信号，都要通过改变信息载体的某个属性从而搭载到信息载体上进行传输。

例如，为了实现信号在空气中的远程传输，需要将信息搭载在具有一定频率的载波信号上（可以理解为具有一定频率的正弦信号)：
cos(ωt)cos(\omega t)cos(ωt)

如何承载呢？载波信号有三个维度，幅度，相位，频率，信号可以承载在这三个维度中的一个或多个维度上。由于频率是相位关于时间的微分，所以可以包含在相位信息中。从而将承载了信息的载波信号（即已调信号）表示为：
A(t)cos(ωt+ϕ(t))A(t)cos(\omega t+\phi(t))A(t)cos(ωt+ϕ(t))

已调信号的幅度或者相位（频率）随着所要传递的信号而变化。在接收端恢复出幅度或者相位（频率）的变化即可恢复出信息。

在极坐标中表示信号

上述信号A(t)cos(ωt+ϕ(t))A(t)cos(\omega t+\phi(t))A(t)cos(ωt+ϕ(t))可方便的在极坐标中表示出来，如果假设幅度AAA和相位ϕ\phiϕ均不随着时间变化（即为常量），可在极坐标中表示为：

有人会有疑问，通常的相位指的是coscoscos后括号中的所有项即（ωt+ϕ(t)\omega t+\phi (t)ωt+ϕ(t)）为什么极坐标中的相位角不会随着时间变化而变化呢？

这是因为在表示相位角时，通常表示的都是相对相位角，即已调信号相对于cos(ωt)cos(\omega t)cos(ωt)的相位角，这样就只剩下ϕ(t)\phi (t)ϕ(t)了。

这样，在极坐标中，只需要使用一个点，便可以表示一个具有特定幅度和相位的信号。

现实生活中的信号肯定都是随着时间变化的，在极坐标中则表示为随着时间不断移动的点，接收端只要能接收到点随时间变化的信息，就可以知道具体的信息是什么了。

极坐标和I/Q信号之间的关系

什么是I/Q信号，很简单。任何一个信号都可以分解到正交的维度上。将极坐标映射到笛卡尔坐标上就完成了正交分解的过程，所谓的I/Q信号，就是具有正交属性的两个信号，即原信号的同相分量（inphase）和正交分量(quadrature)。

可以看到，要实现一个具有特定幅度和相位的信号Acos(ωt+ϕ)Acos(\omega t+\phi)Acos(ωt+ϕ)，可以通过改变初相位为0的cos和sin信号的幅度后再将他们相加（减），相应的幅度值就是I和Q。

IQ调制是如何实现的

将cos载波的相位移动90°就可以得到sin载波，这在电子电路中是很容易实现的。

为什么要用IQ调制

因为想精确操控一个高频载波信号的相位是非常困难的，即不准确所需的设备也非常复杂且昂贵。

但是调整一个高频载波的幅度则是一件简单的事情，仅仅通过简单的幅度调制，配合具有正交属性的载波，就可以同时实现幅度和相位的调制，即使要多用一些设备也是值得的。

高阶调制是如何实现的（16QAM）

如果我们仅仅利用载波的幅度或相位中的一个维度，那就等于浪费了的另一个维度，用两个维度同时承载信息，就可以在利用相同的资源下，传递两倍的信息，这也就是高阶调制提升频谱利用率的本质。

理解了IQ调制，我们就知道如何通过幅度调制来实现信号幅度和相位的调制，改变极坐标中的信号点的位置。拿通信中常用的16QAM举例。下图是我们常说的星座图的概念，他的含义无非就是利用了上面提到的极坐标的点，用16个不同的幅度相位组合，即极坐标中16个不同的点，这样每个点就可以表示16个电平中的一个（即4个bit）。原来一个时间段中的一个电平只能表示1bit的信息，现在能表示4bit的信息，资源利用率是原来的4倍！

想要表示上图中的0100信息，就要实现I路幅度为3A，Q路幅度为1A。

这个0100的信息，会通过调制电路中的串并变换、星座映射和DAC装置以固定的规则输出所需的电平，之后再经过I/Q调制到正交的高频载波上相加后发射出去，接收端进行相应的解调就可以把信号提取出来。

IQ调制解调的频谱分析