随着无线通信系统的发展，全部商用通信系统从模拟转向数字，是德科技总结了以下几点原因:
更大的系统容量 长距离通信也能保证通信质量 数据传输能力
但是数字系统设计与模拟系统一样，也需要考虑多种因素的折衷。这些折衷因素主要是系统信息带宽与可得到射频带宽限制的折衷。抗噪声性能好坏以及电池供电时间长短；选用不同调制格式以使系统性能达到某种意义上的最优化。
大多数通信系统的优化着眼于下列三类要素：带宽效率、功率效率或价格效率。
带宽效率描述一个调制体制在有限的带宽内可容纳数据的能力。功率效率描述这个系统在最低功率电平下可靠的传送信息的能力。在多数系统中，带宽效率具有高的优先级。价格在系统优先选择中处于支配地位，通常要求低价格的无线电设备。过去用牺牲功率和带宽效率的办法来获得低价格的无线电设备是可行的，而现在已不可能，因为无线电频谱变得越来越昂贵。所以在射频通信设计中必须考虑这些参数的折衷。蜂窝移动通信的发展趋势
蜂窝移动通信发展至今，大约每十年完成一次标志性的技术革新，经历了从语音业务到高速宽带数据业务的飞跃式发展。
上世纪80年代初诞生了第一代移动通信系统即蜂窝移动电话系统。1G移动通信系统首次引入蜂窝网（即小区制）的概念，实现了频谱资源的空分复用，且采用频分多址接入技术提高了系统容量。它以模拟信号进行数据的传输，支持语音业务。1G移动通信系统采用模拟信号进行数据传输的弊端也凸显，包括频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差以及设备成本高等。
为了解决模拟系统中存在的根本性技术缺陷，1991年，第二代移动通信系统即数字移动通信技术应运而生。2G移动通信系统采用时分多址接入（TDMA）或者码分多址接入（CDMA）技术，并采用数字调制技术。由于2G移动通信系统以传输语音和低速率数据业务为目的，因此也称为窄带数字通信系统。这一阶段的移动通信均以语音以及中低速数据业务为主。
随着网络的发展，数据和多媒体业务飞速发展。2001年，以数字多媒体移动通信为目的的第三代移动通信系统进入商用阶段。3G移动通信系统采用更先进的宽带码分多址技术（CDMA），并在更高频段使用更大的系统带宽进行数据发送，因而其数据传输速率得到进一步提升。1998年底移动通信发展最优影响力的组织之一第三代合作伙伴项目3GPP成立。在3GPP的牵头下，WCDMA系统逐渐演进成高速下行分组接入和高速上行分组接入系统，该系统目前仍广泛应用于现有的移动通信系统中。
2011年，3GPP发布了第四代（The 4th Generation，4G）移动通信系统即宽带数据移动互联网通信技术。4G移动通信系统基于扁平化网络架构设计，在3G的长期演（LTE）基础上进行升级。LTE系统采用正交频分多址（OFDMA）、自适应调制编码（AMC）和多天线（MIMO）等关键技术，大大提高了频谱效率，上/下行峰值速率达到50Mbps/100Mbps。在LTE的基础上进一步采用了载波聚合、中继和多点协同传输技术，使上/下行峰值速率达到500Mbps/1Gbps。
移动通信的持续快速增长已经是一种不可抵挡的潮流和定律。与前几代技术仅提供人与人之间的宽带移动通信不同，5G作为面向2020年以后人类信息社会需求的移动通信系统，将渗透到物联网等领域，与工业设施、医疗器械、交通运输等深度融合，全面实行万物互联，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。无线通信的调制技术
如今，大多数无线服务都在使用复杂的载波调制方案。调制技术和元器件的持续改进以及纠错码的进步，促使信道容量更加接近香农定理设定的基础极限。那么，
调制是什么意思？调制的分类？
是一种将需要传送的信号搬移到高频载波，实现频谱搬移的过程。
图 1
需要传送的信号是基带信号。最开始是语音信号，现在是数字化的各种数据，包括程序，图片，语音，视频。
调制方式可以分为数字调制和模拟调制。
模拟调制
图 2 调制的三种类型：调幅（AM）、调频（FM）、相位调制（PM）
模拟调制可分为三种类型：调幅（AM）、调频（FM）、相位调制（PM）。
调幅（AM）
调幅（AM） 可维持频率和相位常数并缩放振幅（与音频信号成正比）。在最简单的情况下，音频信号是正弦波，频域图看起来像三个音调 － 载波加上两个旁波带，以调制速率区隔。低频调制显示旁波带很靠近载波，而高频调制则显示旁波带离载波更远。
图 3：时域中的调幅（AM）范例
图 4：频域中的调幅（AM）范例
调频（FM）
调频可让振幅维持恒定，并随时间改变波形频率（与音频信号成正比）。如果音频信号是正弦波，则在频域中，调频看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。您可以使用贝索（Bessel）函数来确认。记住，在频域中看起来可能与 AM 完全一样。
图 5：时域中的调频（FM）范例
图 6：频域中的 调频（FM） 范例
相位调制（PM）
相位调制PM 同样也可让振幅维持恒定，但依照相位改变波形。在时域中，它看起来与 FM 完全一样。有时 FM 和 PM 又称为角度调制，因为在时域中它们看来非常相似。在频域中，PM 看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。与调频一样，您可以使用贝索函数来确认这些旁波带。
数字调制
数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和/ 或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制( 基带) 信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见图7。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。
图7. 在数字调制中，信息包含在载波的相对相位、频率或幅度中
数字调制
基带信号是数字信号的调制方式
数字信号，就是只有有限种信息状态的信号。例如现在最基本的010101的信号，只有0和1两种状态的组合。
图 8
数字调制方式的进化，就是提升数据传输速率的方法！
让每一个周期发送的符号，包含更多信息，换言之要求离散的可选状态点增多
图 9
I/Q调制
基于具体的应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案，例如幅度调制(AM)、频率调制(FM) 或相位调制(PM) 来完成。不过在实际系统中，通常使用矢量调制( 又称为复数调制或I-Q 调制) 作为替代。
调制信号可以使用幅度和相位（矢量）的极坐标来表示。I/Q调制由于频谱效率较高，因而在数字通信中得到广泛采用。
图10
I/Q 调制，即两个正交信号（频率相同，相位相差 90 °的载波，一般用 Sin 和 Cos 表示）与 I（In-Phase，同相分量）、Q（Quadrature Phase，正交分量）两路信号分别进行载波调制后一起发射，从而提高了频谱利用率。对于仪表而言分为内调制和外调制。
矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中，基带数字信息被分离成两个独立的分量: I ( 同相) 和Q ( 正交) 分量。这些I 和Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量( 正交)。在下面的讨论中你将进一步了解 I 和 Q 分量，以及数字系统使用它们的原因。
图11. 数字调制I-Q 图
理解和查看数字调制的简单方法是使用图11 所示的 I-Q 或矢量图。
I-Q 调制的原理
在大多数数字通信系统中，载波频率是固定的，因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考，根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。相位和幅度可以作为 I-Q 平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见图13。I 代表同相位( 相位参考) 分量，Q 代表正交( 与相位相差90 °) 分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算，来表示这个点。这就是 I-Q 调制的原理。
I/Q调制使用了两个载波，一个是同相 (I) 分量，另一个是正交 (Q) 分量，两者之间有90。的相移(见图12）。
图.12 I/Q 相量图
将载波放入到 I-Q 平面预先确定的某个位置上，然后发射已编码信息。每个位置或状态( 或某些系统中状态间的转换) 代表某一个可在接收机上被解码的比特码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间( 接收机转换信号时) 在I-Q 平面的映射称为星座图。参见图9。
一个符号号代表一组数字数据比特; 它们是所代表的数字消息的代号。每个符号号包含的比特数即每符号号比特数(bpsym) 由调制格式决定。例如，二进制相移键控(BPSK) 使用1 bpsym，正交相移键控(QPSK) 使用2 bpsym，而8 相移键控(8PSK) 使用3 bpsym。理论上，星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响，会引起这些状态发生扩散( 每个状态周围有分散的点呈现)。
图13 显示了 16 QAM 格式(16 正交幅度度调制) 的星座图或状态图; 注意，此时有16 个可能的状态位置。该格式使用4 比特数据串， 编码为单个幅度度/ 相位状态或符号号。为了产生这一调制格式，基于被传输的代码，I 和Q 载波都需采用4 个不同的幅度度电平。
图13. 星座图中的每个位置或状态代表一个具体的比特码型( 符号号 ) 和符号号时间
在数字调制中，信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多，给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号号率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的16 QAM 格式使用每符号号 4 比特的速率。如果无线传输速率为16 Mbps，则符号率= 16 (Mbps) 除以 4 比特即 4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽 ( 4 MHz 相对16 MHz)。关于数字调制的更多信息，参见本应用指南结尾处的其它资源。
I/Q 调制
在数字通信中，I/Q 调制将已编码的数字I 和Q 基带信息放入载波中。参见图14。I-Q 调制生成信号的 I 和 Q 分量; 从根本上讲，它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。
图14. I/Q 调制
I-Q 调制接受 I 和Q 基带信号作为输入，并将它们与相同的本地振荡器 (LO) 混合。注意，这个可能是数字( 软件) LO。下面，I 和 Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度度信息调制载波生成同相分量。Q 幅度度信息调制90° ( 直角) 相移的载波生成正交分量。这两种正交调制载波信号相加生成复合 I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号，随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。
以 90° 分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和 Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的，它们是同一信号的两个独立分量。虽然Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号，但不会对I 分量造成任何影响。同样地， I 输入的变化也不会影响到Q 信号。
I/Q 解调
如图15 所示，I/Q 解调是图14 所示的I1/Q 调制的镜像。I/Q 解调从复合 I/Q 调制输入信号中恢复原始的I 和Q 基带信号。
图13. I-Q 解调( 或正交检测)
解调过程的第一步是将接收机 LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复 I 和 Q 基带分量必须要把接收机 LO 锁相至发射机载波( 或混频器 LO)。随后，I/Q 调制载波与未相移的 LO 和相移90° 的 LO 混合，生成原始的I 和Q 基带信号或分量。在矢量信号分析软件中，使用数学方法实现90° 相移。
数字解调的数学原理
I/Q确定了信号的幅度、相位和频率
图16 数字解调的数学原理
- 当数字本振的频率等于调制信号的载波频率时，数字滤波器输出的实部信号 I(t)和虚部信号Q(t), 这两个就是调制在载波上的时域波形。
- 用幅度坐标显示 I/Q相对于的结果，就得到调制了的幅度。
- 用相位坐标显示 I/Q 相对于时间的结果，就得到调制了的相位
- 频率是相位对时间的微分
从根本上讲，I/Q 解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换，信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图16。这种转换与I/Q 解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。
为什么使用 I 和 Q ?
数字调制使用I 和Q 分量，因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。I-Q 域中的调制信号具有很多优势 :
- I-Q 的实现提供一种生成复信号( 相位和幅度均改变) 的方法幅度。I-Q 调制器不使用非线性，难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到，基于基带和中频软件的LO 也是。为生成复调制信号，只需产生信号的基带 I 和 Q 分量。I-Q 调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。
- 信号的解调也同样简单明了。使用 I-Q 解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。
- 在 I-Q 平面上观查信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及 AM-PM 失真等用其它方法难以呈现的现象在 I-Q 平面上可以轻松查看。
数字射频通信系统概念
图17 是一个通用的使用 I/Q 调制的数字射频通信系统的基本架构的的简化方框图，通过对该系统基本概念的了解能更好地理解带有矢量调制分析功能的矢量信号分析的工作情况。通信发射机和计算机的所有部分都可被带有矢量调制分析的矢量信号分析测量并分析。还有，即使是该方框图的软件仿真也可被矢量信号分析分析因为矢量信号分析只需要利用时间采样数据。
图17. 数字射频通信系统的简化方框图。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出现。
主要I/Q调制参数
主要调制方案
矢量信号的变化在 I/Q 图上可以用幅度、相位、频率或这些指标的组合来表示。这些幅度和相位的变化产生了不同的调制格式。由于数据是用二进制传输的，星座图中的点数必须为 2 的幂。
最基本的数字调制格式为：
PSK（相移鋰控) 、 FSK（频移繾控)、 ASK（幅移繾控)、 QAM（正交幅度调制)
1. ASK(Amplitude Shift Keying)称为幅移键控，通常指二进制幅移键控2ASK，只对载波作幅度调制。当2ASK的调制深度为100%时，只有比特“1”有信号，比特“0”没有信号，所以称为On-Off Keying，简称为OOK调制。OOK调制是一种特殊的ASK调制，调制后的波形为射频脉冲信号。
2. FSK(Frequency Shift Keying)称为频移键控，常见的FSK包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK等。
3. PSK(Phase Shift Keying)称为相移键控，是非常主流的数字调制方式，常用的PSK调制方式包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK等。PSK调制是将符号直接映射到IQ坐标系上的，下图给出了几组常用的映射方式。
4. QAM(Quadrature Amplitude Modulation)称为正交幅度调制，属于高阶数字调制，一个符号携带多个bit信息，比如16/32/64/128/256/512/1024QAM等，因此在移动通信中较为常用。前面介绍的PSK调制并不会改变载波的振幅，只是改变其相位，而QAM调制相当于调幅和调相结合的调制方式，不仅会改变载波振幅，还会改变其相位。
图 18 QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM 和 64-QAM 制式的星座图
星座图和符号
星座图展示了 QAM 格式的可用符号。以 16 QAM 格式为例，每个符号表示着四个二进制位的一种可能组合。对于这四个二进制位来说，总共可能有 16个 组合。换言之，每个符号表示着四位。
为了提高数据带宽，我们可以增加每个符号表示的位数，这样可以提高频谱效率。不过，随着星座图中符号数量的增加，符号间的距离开始变小。符号越来越接近，因此就越容易受到噪声和失真的影响，出现错误。图19 展示了当从16-QAM格式变为64-QAM格式时，符号密度的增加。
图 19 16-QAM 和 64-QAM 格式的星座图
用星座图表示的更多调制方式
• 数字调制信号只须表示离散的调制状态，这些离散状态在矢量图上称为符号点 (symbol point)，符号点组合称为星座图(constellation)
• 数字调制信号完成对时间离散状态的描述
前面讲到的几种PSK，都只是改变相位一个调制参数的调制方式扩展。
更多的调制方式的扩展
数字调制技术的主要应用
数字调制类型一变量
通信系统在基本调制方案中使用了三个主要变量。这些变量可以避免 I/Q 信号迹线通过零位（星座图的中心），从而在功率效率上占据优势。
- IQ 偏置调制：在 ZigBee 2450-MHz频段中使用 OQPSK
- 差分调制：在蓝牙 2.0+EDR中使用 π/4 DQPSK
- 恒包络调制：GSM 使用 GMSK; Wi-SUN使用2-FSK
图 20 I/Q调制变量
正交频分多路复用 (OFDM)
正交频分多路复用 (OFDM) 是另一种常用的调制方案。很多最新的无线和电信标准都采用了这种策略，例如数字广播、xDSL、无线网络 和 5G 新空口 （NR) 蜂窝技术。
OFDM 使用了多个重叠的射频载波。每个载波都在精心选择的频率上工作（这个频率与其他载波正交），并且采用了并行子载波方案，因此这种传输方案能够支持更高的比特率。此外，OFDM 方案在频谱效率、灵活性和稳定度等方面都具有优势。
比特率与符号率（波特率）
比特率是系统传输比特流的频率。符号率等于比特率除以每个符号可以传输的比特数。例如，在 QPSK 中，每个符号表示两个比特。QPSK 的符号率就是其比特率的一半。信号带宽和符号率成正比。
符号率=比特率/每个符号传输的比特数
误差矢量幅度（EVM）
误差矢量是理想 I/Q 参考信号与被测信号之间的矢量差。EVM 只是这个误差矢量的幅度。误差矢量是本地振荡器的相位噪声、功率放大器的噪声以及 I/Q 调制器减损等因素共同作用的结果。
为了确保能够评测被测器件的 EVM 性能，您所使用的信号发生器的 EVM 性能害要比被测器件的预期EVM性能好 5 至10 dB.
例如，802.11 ax 发射机 EVM 标准要求1024 QAM 的 EVM 达到 -35dB。 对于在设计验证中使用的信号发生器，其剩余 EVM 本底应低于 -45 dB。不过，在生产测试中，EVM 性能小于 -40 dB 就己经非常好了。
图 21 误差矢量图解
图 22 802.11 ax 星座图和误差概览
I/Q 减损
I/Q 减损可能会在您的设计中突然出现。当出现这种情况时，您需要仿真这些减损，以便对您的设计进行强化测试，或对信号路径上的时间和幅度变化予以补偿。您的信号发生器能鸲生成 I/Q 减损。使用下列 I/Q 调整来仿真您所需要的减损。I/Q 调整的使用情况与影响汇总请参见表1。
- I/Q偏置：I 信号和Q信号的直流偏置
- 正交角度：Q信号相位相对于 I 信号相位的偏移
- I/Q偏移：I 信号和Q信号之间的相对时延
- I/Q增益平衡：相对于Q信号幅度的 I 信号幅度
- I/Q相位：通过同时旋转 I 信号和Q信号，获得内部I/Q信道的绝对相位
表 1 I/Q调整的使用情况
除了I/Q调整之外，您还可以向载波添加相位噪声减损或 AM/FM 以仿真不完美信号，或向调制信号添加 AWGN 作为干扰源，以便您进行设计验证。
信号源的IQ调制功能具体使用方法
射频信号源在配置上都会有IQ调制这一项，比如Keysight的信号源PSG系列，IQ调制功能在硬件上一般都需要一个IQ板来实现，板子上可能会有调制解调器相关的器件。
通常在仪表的后面板上可以看到IQ功能的接口，包括I IN、Q IN、I OUT和Q OUT。用IN和OUT分别来对应外调制和内调制，I IN和Q IN的接口用于外调制信号的输入，I OUT和Q OUT接口用于内调制信号中调制信号的输出。我们知道IQ调制调出的其实是一个单音或多音信号，也可以理解为是单边带信号，单边带信号其实是在调幅波基础上发展而来的，本质就是一个调幅调相波。
调制需要载波和调制信号一同输入，输出的是调制后的波形，载波也就是基带信号是不携带有任何能量的，具体的信息是在调制信号中的，所以到接收端解调出来有用的是调制信号，就是这里的I和Q两个信号分量。对于单边带SSB通信而言，一般发射的是上边带，通过边带滤波器可以将下边带滤除，即便是下边带也通过信道传输到终端以后，也没有关系，因为上下边带的信号都是携带有调制内容的。对于单边带通信而言，信道中只传输一个边带通信效率会提高一倍，这也就是单连带通信由来的一个原因。
图 22
I/Q 调制，即两个正交信号（频率相同，相位相差 90 °的载波，一般用 Sin 和 Cos 表示）与 I（In-Phase，同相分量）、Q（Quadrature Phase，正交分量）两路信号分别进行载波调制后一起发射，从而提高了频谱利用率。对于仪表而言分为内调制和外调制。
数字 IQ调制教学解决方案
灵活的生成能力：
- 用户定义的 I/Q 生成
- 可编程的载频和幅度（9kHz 至 3GHz，-127dBm 至 +13dBm）
- 支持通用的无线通信标准，例如 GSM 和 CDMA
- 支持广泛的数字调制，例如 MSK、FSK、BPSK、QPSK、QAM 等
- 支持模拟调制，例如 AM、FM 和 PM
多功能分析：
- 在时域中捕获和查看 I/Q 信号
- 对基带和射频信号进行捕获、分析和解调
- 使用示波器或频谱分析仪进行矢量信号分析
- VEE Pro 信号生成软件可以自动配置和生成信号
- 基于频谱分析仪的灵活解调适用于模拟调制
来源：是德科技
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