IQ讯号之剖析与探讨

Single Sideband Modulation
传统的 Double sideband(DSB) 调变，在频谱上会造成浪费，因为会产生两个 sideband。相反地，single sideband(SSB)调变，顾名思义，只有一个 sideband。 换言之，相较于 DSB，SSB 拥有较高的频谱效率[29]。
或是以数学的角度分析，其 DSB 的表示如下 :
A 是载波频率，B 是基频(数据)频率。因此，DSB 在频谱上会有两个 sideband : (A+B) 跟 (A-B)。
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至于 SSB :
只会产生(A-B)或(A+B)的 sideband。
如下图所示，Sine 跟 cosine 函数，正好有 90 度的相位差:
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以单位圆而言，其 Sine 跟 Cosine 的定义如下 :
如上图所示，Cosine 是同相位(in-phase)，因此我们称之为 I 讯号。而 Sine 是正 交相位(quadrature-phase)，因此我们称之为 Q 讯号。
如上图所示，这就是 I/Q 讯号的由来。
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因此，倘若我们想利用 SSB 来产生(A-B)的讯号，其方块图如下 :
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I/Q Imbalance
如前述，理想的 SSB，在频谱上只会有一个 sideband(也就是讯号)。然而实际的 频谱，除了讯号外，还会有其他噪声，其中之一便是所谓的 image[16]。
前述提到， SSB 理论上只能有一个 sideband， 也就是讯号。 换言之， 所谓的 image， 就是我们不要的 sideband。产生原因是来自 I/Q imbalance[2,4,27]。尤其是相较 于窄频的通讯，宽带通讯更容易会有 I/Q imbalance，其产生的 image 对于整个 通讯质量会有所危害[18]。
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由于零中频收发器具有高度整合的优点[5]，近年来在手持式装置的应用上，相 当受到欢迎[39]。
如下图所示，零中频收发器，在发射端会直接从基频转为 RF[18]:
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理想的 I/Q 讯号， 振幅相等， 且相位差正好为 90 度[16]。 但在零中频收发器中， 由于 LO 为 RF 讯号，其调变器很难用数字的方式实现，因此一律以模拟的方式 实现。而模拟的调变器，其 I/Q 讯号容易会有振幅不相等，相位差不为 90 度的 现象产生，加上在生产过程中，会由于制程的误差，使得该现象更容易产生 [16,29,40]。
我们将 I/Q 讯号振幅不相等的现象， 称为 I/Q gain imbalance。 I/Q 讯号相位差不 为 90 度的现象，称之为 I/Q phase imbalance。两者统称为 I/Q imbalance。换言 之，如前述所言，应用于宽带通讯的零中频收发器，其 I/Q imbalance 的现象， 基本上是无可避免[21]。其星座图如下所示 :
而由上图所示，I/Q imbalance 会使其 EVM 劣化。
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如前述，I/Q imbalance 会产生 image，也就是我们不要的 sideband。故我们将 讯号与 image 的振幅差，称之为 sideband suppression[2,27]。
下图是 I/Q imbalance 与 sideband suppression 的关系。 当然， I/Q gain imbalance 跟 I/Q phase imbalance，都会影响 sideband suppression。然而值得注意的是， 以紫色曲线为例， I/Q phase imbalance 小于 10 度之后， 其 sideband suppression 几乎没有变化，而其他颜色的曲线，大致上也有该现象。但不同的 I/Q gain imbalance，其 sideband suppression 都不同。因此这表示相较于 I/Q phase imbalance，I/Q gain imbalance 对于 sideband suppression 的影响更大[41]。
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虽然 I/Q imbalance 是无可避免，但我们可以尽可能去抑制。如下图所示，我们 可以透过振幅跟相位的调整，来改善 sideband suppression[16,18]。
由上图可知，当 I/Q gain imbalance 调整至−0.1 dB 时，其 sideband suppression 可达 -57 dBc。接着，再将 I/Q phase imbalance，调整至−0.05 度，其 sideband suppression 可达 -60 dBc。换言之，I/Q gain imbalance 的调整，可使 sideband suppression，由-20 dBc 变成-57 dBc，改善了 37 dB。但 I/Q phase imbalance 的调整，只使 sideband suppression，由-57 dBc 变成-60 dBc，改善了 3 dB。故 再此验证前述所说，相较于 I/Q phase imbalance，I/Q gain imbalance 对于 sideband suppression 的影响更大。
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若转为频域来看，如下图所示，调整过后的 sideband suppression 也确实有改善 [18] :
除此之外，我们也应注意 PCB 的 Layout[18,40]。为了加强抗干扰性，避免调变 与解调的精确度下降，因此不管是发射还是接收，其 I/Q 讯号多半采差分形式， 如下图[36] :
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换言之，一共会有四条I/Q讯号: I+、I-、Q+、Q- 。其相位关系如下:

当然理想上，这四条I/Q讯号，其PCB layout走线都应该等长。然而实际的PCB layout走线，很难完全实现这一点，最常见的就是转弯[40]: