調制是電子通信的基礎。調制信號本質上可能是模擬信號（語音或音樂）或數(shù)字比特流。大多數(shù)現(xiàn)代通信系統(tǒng)都是數(shù)字的，使用離散的幅度或相位來表示正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。能夠可靠地從發(fā)射器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器的獨特條件越多，您在給定時間段內可以發(fā)送的數(shù)據(jù)就越多。正交調制被廣泛用于高達并包括 5G 的數(shù)字通信系統(tǒng)中。

調制背后的基本思想是通過調制信號來控制射頻載波的一個或多個參數(shù)。在數(shù)學上，我們可以這樣表達：

其中：
a(t)是幅度調制 (AM) 項
Θ(t)是相位調制 (PM) 項
f _c是載波頻率

該信號的幅度由a(t)控制，相位由Θ(t)控制。為了實現(xiàn)幅度調制 (AM)，我們將調制信號作為a(t)并將Θ(t)設置為零。類似地，相位調制 (PM) 信號將a(t)設置為常數(shù)，調制信號將應用于Θ(t)。現(xiàn)在，我們將忽略頻率調制 (FM)，但我們將展示可以使用 PM 創(chuàng)建 FM。

矢量表示
矢量表示是一種通過定義同相 (I) 和正交 (Q) 分量來表示調制信號的便捷方式。

使用三角標識：

我們可以用這種形式表示調制信號：

可以對其進行改造以取出 I 和 Q 組件：

在哪里

圖 1以圖形方式顯示了這一點，I分量位于水平軸上，而Q分量位于垂直軸上。這種格式對 EE 來說應該很熟悉，并且基于正弦函數(shù)和余弦函數(shù)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）

調制信號的幅度和相位通過以下等式與 I 和 Q 分量相關：

我在等式中保留了“(t)”，以強調這些變量是時間的函數(shù)，并且通常會根據(jù)應用的調制而變化。對于經典的 AM，想象向量在長度（幅度）上發(fā)生變化，而相位角保持不變。對于 PM，想象相反：矢量的幅度保持不變，但角度會根據(jù)調制發(fā)生變化。用力斜視，您可以看到矢量實時移動。

現(xiàn)在，這可能看起來只是一堆觸發(fā)技巧，但正交調制通常在具有框圖的系統(tǒng)中實現(xiàn)，如圖 2所示。

圖 2：正交調制器使用正弦和余弦函數(shù)來調制振蕩器的載波。

我們可以認為i(t)控制同相（余弦）部分，q(t)控制正交（正弦）部分。將這些加在一起產生所需的輸出信號。該框圖可以使用模擬或數(shù)字技術（或兩者的組合）來實現(xiàn)。已經使用這兩種方法創(chuàng)建了實用的系統(tǒng)，但毫無疑問，明顯的趨勢是使用數(shù)字電路和數(shù)字信號處理。

圖 2表示正交調制系統(tǒng)的發(fā)射端。在接收端，將有一個相應的正交檢波器，用于從調制波形中提取 I 和 Q 信號。

數(shù)字調制
正交調制可用于實現(xiàn)無窮無盡的調制方案，但它對數(shù)字調制的價值最大。例如，使用矢量相位的數(shù)字調制稱為相移鍵控 (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(tài)。（請注意，幅度保持不變。）圖 3僅顯示了矢量的尖端將降落的位置，這是顯示這些狀態(tài)的常用方法。這種類型的圖形通常被稱為星座圖。因為調制格式有四種可能的狀態(tài)，每個調制狀態(tài)可以表示兩個二進制值（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(chuàng)建八種調制狀態(tài)。圖中顯示了三個位的邏輯狀態(tài)。擁有更多調制狀態(tài)可以讓系統(tǒng)在給定時間內傳輸更多位的信息（以在存在噪聲的情況下增加錯誤率為代價）。

正交幅度調制 (QAM) 使用幅度和相位來添加額外的調制狀態(tài)。圖 4顯示了 16-QAM（具有 16 個狀態(tài)）。想象一下我們的調制向量跳躍，基于數(shù)字調制指向這些狀態(tài)中的每一個。為簡單起見，圖中未顯示邏輯值，但調制狀態(tài)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）

調頻呢？
如您所見，調制載波的幅度和相位是創(chuàng)建調制載波的一種靈活方式。盡管它是 1920 年代的一項古老技術，但今天仍用于廣播和陸地移動無線電等應用。我們如何使用正交調制實現(xiàn) FM？

一般來說，瞬時頻率是瞬時相位的導數(shù)（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(jù)調制信號而改變。

其中k _d是偏差常數(shù)，m(t)是調制信號。

求解所需的相位信號，我們得到：

這個結果表明，我們可以通過提供相位調制來創(chuàng)建調頻信號，相位調制是調制信號的積分。（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(shù)字算法創(chuàng)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(tǒng)。特別是，數(shù)字調制充分利用了正交調制系統(tǒng)。但是，可以產生任何基于載波的調制，包括傳統(tǒng)調制類型，例如 AM 和 FM。I 和 Q 數(shù)字流的概念由于其靈活性而在許多電子通信系統(tǒng)中使用，并已成為表示調制信號的事實標準。

審核編輯：劉清