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調制是電子通信的基礎。調制信號可以是自然界的模擬(聲音或音樂(lè ))或數字比特流。大多數現代通信系統都是數字的，使用離散的幅度或相位來(lái)表示正在傳輸的數據?？梢詮陌l(fā)送器可靠傳輸到接收器的狀態(tài)數量越多，在給定的時(shí)間段內可以發(fā)送的數據也就越多。正交調制廣泛用于5G及以下的數字通信系統中。
調制背后的基本思想是通過(guò)調制信號來(lái)控制RF載波的一個(gè)或多個(gè)參數。在數學(xué)上，我們可以這樣表示：
其中：
a(t)是調幅(AM)項；
θ(t)是調相(PM)項；
fc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(shí)現幅度調制(AM)，我們將調制信號對應為a(t)，而將θ(t)設置為零。同樣，經(jīng)過(guò)相位調制(PM)的信號是將a(t)設置為常數，而將調制信號對應于θ(t)。我們現在不考慮調頻(FM)，但會(huì )說(shuō)明可以用PM實(shí)現FM。
矢量表示法通過(guò)定義同相(I)和正交(Q)分量來(lái)表示已調信號，非常方便。
使用三角恒等式：
我們可以將已調信號表示為以下形式：
可以將上式變形，提取出I和Q分量：
其中：
圖1以圖形方式對此進(jìn)行了表示，其中I分量在水平軸上，而Q分量在垂直軸上。這種形式對于電子工程師來(lái)說(shuō)應該很熟悉，它利用的是正弦和余弦函數之間有90度的相位偏移。
圖1：已調信號幅度和相位的矢量圖表示。[改編自參考文獻1]
利用以下公式，可以將已調信號的幅度和相位與I和Q分量關(guān)聯(lián)起來(lái)：
為了強調這些變量隨時(shí)間改變，并且通常會(huì )根據所加調制而變化，我在方程式中保留了“(t)”。對于經(jīng)典的AM，是矢量在長(cháng)度(振幅)上變化而相位角保持不變。對于PM則情況相反：矢量的振幅保持恒定，但角度隨調制而變化。
現在看上去這只是一些三角問(wèn)題，但正交調制系統通常是用圖2所示的框圖來(lái)實(shí)現的。
圖2：正交調制器使用正弦和余弦函數來(lái)調制振蕩器的載波。
我們可以將i(t)視為控制同相(余弦)部分，將q(t)視為控制正交(正弦)部分。將它們加在一起就可以得出所需的輸出信號。這個(gè)框圖可以使用模擬或數字技術(shù)(或兩者的結合)來(lái)實(shí)現。業(yè)界已經(jīng)使用這兩種方法構造出實(shí)際系統，但是無(wú)疑，使用數字電路和數字信號處理才是明顯的趨勢。
圖2描繪了正交調制系統的發(fā)送側。接收端則會(huì )有一個(gè)相應的正交檢波器，用于從已調波形中提取I/Q信號。
正交調制可用于實(shí)現無(wú)數種調制方案，但對于數字調制才具有最大的價(jià)值。例如，使用矢量相位的數字調制稱(chēng)為相移鍵控(PSK)。
圖3給出了PSK的兩個(gè)示例：4PSK使用4個(gè)不同的相位來(lái)產(chǎn)生四種調制狀態(tài)(請注意，幅度保持不變)。圖3僅畫(huà)出了矢量的尖端落在何處，這是描繪這些狀態(tài)的常用方法。這種類(lèi)型的圖通常稱(chēng)為星座圖。因為調制形式具有4種可能的狀態(tài)，所以每個(gè)調制狀態(tài)都可以代表兩個(gè)二進(jìn)制值(圖中表示為00、01、10、11)。
圖3：簡(jiǎn)單PSK信號的星座圖。[摘自參考文獻3]
圖3還繪制了8PSK，即使用相位調制來(lái)創(chuàng )建8個(gè)調制狀態(tài)。這8個(gè)狀態(tài)對應3位邏輯狀態(tài)。系統的調制狀態(tài)越多，就能在給定的時(shí)間內傳輸越多的信息位(但在噪聲環(huán)境下會(huì )增加誤碼率)。
正交幅度調制(QAM)同時(shí)使用幅度和相位來(lái)增加調制狀態(tài)。圖4繪制了16QAM(具有16種狀態(tài))。根據數字調制，調制矢量可以跳來(lái)跳去，指向這些狀態(tài)中的每一個(gè)。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖中未寫(xiě)出邏輯值，但是調制狀態(tài)對應16個(gè)值，可以代表4位信息。
圖4：16QAM信號的星座圖。[摘自參考文獻3]
可以看到，通過(guò)調制載波的幅度和相位來(lái)獲得已調載波這種方法非常靈活。盡管FM是1920年代就出現的一種古老技術(shù)，但今天仍在廣播和陸地移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電等應用中使用。我們如何使用正交調制實(shí)現FM？
通常，瞬時(shí)頻率是瞬時(shí)相位的導數[參考文獻4]。
其中：f(t)是瞬時(shí)頻率，θ(t)是瞬時(shí)相位。
對于FM來(lái)說(shuō)，瞬時(shí)頻率必須根據調制信號而變化。
其中：kd是偏差常數，m(t)是調制信號。
求解所需的相位信號，我們得到：
該結果表明，可以通過(guò)提供相位調制，即調制信號的積分來(lái)獲得FM信號(這里忽略了積分的初始條件)。
可以使用模擬積分器或等效的數字算法獲得所需的PM信號。因此，正交調制器可以使用PM產(chǎn)生FM信號。
正交調制和I/Q信號廣泛用于電子通信系統中。特別是數字調制很好地利用了正交調制系統。但是，也可以利用它來(lái)產(chǎn)生任何載波調制，包括傳統調制類(lèi)型，例如AM和FM。I/Q數字流的概念由于非常靈活，而在許多電子通信系統中獲得使用，并已成為表示調制信號的事實(shí)上的標準。
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