理解通信系统中的正交解调原理

5236090 · 发表于 2020-4-13

理解通信系统中的正交解调原理

如果您已经读过我们前面的文章，那么应该知道什么是I / Q信号以及如何完成正交（即基于I / Q信号）调制。在本文中，我们将讨论正交解调，这是一种从幅度，频率和相位调制波形中提取信息的通用技术。

转换为I和Q信号

下图显示了正交解调器的基本结构。

t01cd418ae7a4442bf4.webp.jpg

正交解调器

您会很容易地注意到，该系统反过来后就类似于正交调制器。 RF信号乘以本地振荡器信号（用于I信道），然后将本地振荡器偏移90°（用于Q信道）。在上图所示的低通滤波之后的生成信号是准备进行进一步处理的I和Q波形。

在正交调制中，我们使用基带I / Q信号创建将被放大和传输的幅度，频率或相位调制波形。在正交解调中，我们将现有的调制转换为相应的I / Q基带信号。重要的是要了解接收到的信号可能来自任何类型的发射器-正交解调器解调的不仅限于最初通过正交调制创建的信号。

之所以需要低通滤波器，是因为应用于接收信号的正交乘法器与例如普通AM解调器中采用的乘法器没有区别。接收到的频谱将通过载波频率（fC）上下移动；因此，需要一个低通滤波器来抑制与以2fC为中心的频谱相关的高频成分。

如果您已经阅读了本号有关幅度解调的文章，则上一段可能使您意识到正交解调器实际上是由两个幅度解调器组成的。当然，您不能对调频信号应用普通的幅度解调，因为 FM信号的幅度中并没有包含编码的信息。但是正交（幅度）解调可以捕获频率编码的信息-这仅仅是I / Q信号的本质（这是相当有趣的一点）。通过使用两个由相位差为90°的载波频率正弦波驱动的幅度解调器，我们生成了两个不同的基带信号，它们可以一起传达通过接收信号的频率或相位变化而编码的数据信息。

正交幅度解调

如我们在之前的文章“如何解调AM波形”中所述，幅度解调的一种方法包括将接收信号与载波频率参考信号相乘，然后对该乘积进行低通滤波。与围绕泄漏峰值检测器构建的AM解调相比，这种方法提供了更高的性能。但是，这种方法有一个严重的缺点：乘法的结果受发射器载波与接收器载波频率参考信号之间的相位关系的影响。
t015a4d590ed2df929c.webp.jpg

接收和发射参考信号之间的相位差对解调信号的影响

这些图显示了发射机到接收机相位差的三个值的解调信号。随着相位差的增加，解调信号的幅度减小。在90°的相位差下，解调过程变得不起作用。这代表了最坏的情况-即，随着相位差从90°移开（沿任一方向），幅度又开始增加。

解决这种情况的一种方法是通过增加将接收机的参考信号的相位与接收到的信号的相位同步的附加电路。但是，可以使用正交解调来克服发射机和接收机之间不存在同步的问题。正如刚刚指出的，最坏情况下的相位差为±90°。因此，如果我们用相隔90°的两个参考信号执行乘法，则一个乘法器的输出将补偿另一个乘法器的输出的幅度减小。在这种情况下，最差的相位差为45°，您可以在上图中看到45°的相位差不会导致解调信号幅度的灾难性减小。

下图说明了这种I / Q补偿。轨迹线是来自正交解调器的I和Q分支的解调信号。

发射机相位= 0°

t01a4113b39e86b3f45.webp.jpg

发射器相位= 45°

（橙色轨迹线位于蓝色轨迹线的后面，即两个信号完全相同）

t01c02d11047109336d.webp.jpg

发射器相位= 90°

t0189d71e6cd7ea8dc4.webp.jpg

恒定幅度

如果我们可以将解调信号的I和Q版本组合成一个波形，无论发射机和接收机之间的相位关系如何，振幅都将保持恒定，那将很方便。您的第一个直觉可能是使用加法，但不幸的是，这并不那么简单。下图是通过重复仿真生成的，其中除了发射机载波的相位以外，其他一切都相同。将相位值分配给具有七个不同值的参数：0°，30°，60°，90°，120°，150°和180°。轨迹线是解调后的I波形和解调后的Q波形之和。
t01526462cbf59cab4b.webp.jpg

如您所见，加法肯定不是产生不受发射器与接收器相位关系变化影响的信号的方法。如果我们还记得I / Q信号和复数之间的数学等价关系，这并不奇怪：信号的I和Q分量类似于复数的实部和虚部。通过执行正交解调，我们获得对应于基带信号幅度和相位的实部和虚部。换句话说，I / Q解调本质上是转换：我们正在将幅相系统（由典型的基带波形使用）转换为笛卡尔系统，其中I分量绘制在x轴和Q上分量绘制在y轴上。

t01342df448053aae6b.webp.jpg

要获得复数的幅度，我们不能简单地将实部和虚部相加，并且对于I和Q信号分量也是如此。取而代之的是，我们必须使用图中所示的公式，该公式只不过是用于确定直角三角形的斜边长度的标准毕达哥拉斯方法。如果将此公式应用于I和Q解调波形，则可以获得不受相位变化影响的最终解调信号。下图确认了这一点：仿真的参数与上面的相同（即有七个不同的相位值），但是您看到的只是一个信号，因为所有轨迹线都是相同的。

t014e9f16bb26e41535.webp.jpg

总结

正交解调使用两个相差90°的参考信号以及两个乘法器和两个低通滤波器来生成I和Q解调波形。
正交解调可用于制作AM解调器，该解调器与发射器和接收器之间缺乏相位同步的方式兼容。
正交解调产生的I和Q波形等效于复数的实部和虚部。

帐号		自动登录	找回密码
密码			快速注册

[资讯] 理解通信系统中的正交解调原理