一、什么是中頻采樣，什么是IQ采樣

射頻接收系統(tǒng)通常使用數(shù)字信號處理算法進(jìn)行信號解調(diào)和分析，因此需要使用ADC對信號進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣頻率的不同，可以分為射頻直接采樣、中頻采樣、IQ采樣。射頻采樣和中頻采樣只需要一路ADC，采樣結(jié)果為一組數(shù)字序列，而IQ采樣需要兩路ADC，采樣結(jié)果為兩組數(shù)字序列。中頻采樣比射頻采樣對ADC的帶寬和采樣率要求更低，同時寬帶接收機(jī)的中頻頻率一般為固定頻率，故中頻采樣應(yīng)用非常廣泛。中頻采樣的主要原理框圖如下：

圖1、中頻采樣框圖

IQ采樣能提供數(shù)字信號解調(diào)和分析算法中常見的IQ兩路數(shù)據(jù)，也有非常廣泛的應(yīng)用。IQ采樣的主要原理框圖如下：

圖2、IQ采樣框圖

二、中頻采樣和IQ采樣的比較

中頻采樣與IQ采樣的主要區(qū)別包括采樣信號的載波頻率、采樣通道數(shù)、采樣率等。以中頻頻率70MHz帶寬10MHz信號為例，對兩種采樣方式進(jìn)行比較。中頻信號的載波頻率為IF（實(shí)例為70MHz），最低頻率為IF-BW/2 （實(shí)例為65MHz)，最高頻率為IF+BW/2 （實(shí)例為75MHz）。IQ信號為基帶信號，沒有載波，最低頻率為DC，最高頻率為BW/2（實(shí)例為5MHz）。如果都使用低通采樣，采樣率至少為模擬信號最高頻率的2倍，則中頻采樣的最低采樣率為2*IF+BW（實(shí)例為150MHz），IQ采樣的最低采樣率為BW（實(shí)例為10MHz）。

由此可見，IQ采樣的采樣率更低，即使考慮兩路采樣的因素，數(shù)據(jù)量仍然更小，故而在信號采集存儲和數(shù)字信號處理中具有優(yōu)勢。

然而IQ采樣硬件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時IQ采樣對硬件的性能要求很高，理想的IQ采樣需要兩路信號幅度相等（即IQ兩路平衡），相位相差90度（即IQ兩路正交）。實(shí)際的硬件很難滿足IQ采樣的兩路平衡和正交要求，因而會引入額外的性能惡化。為了避免IQ采樣硬件的不平衡和非正交性帶來的性能惡化，有一種先中頻采樣再使用數(shù)字下變頻得到IQ數(shù)據(jù)的方法，可以算是中頻采樣和IQ采樣的結(jié)合。

三、儀表中常見的中頻采樣和IQ采樣

工程師對信號采樣的目的有很多，可能是為了信號解調(diào)和分析，也可能是為了將信號復(fù)現(xiàn)出來。例如設(shè)備在某電磁環(huán)境中工作異常，就可以用儀器將此電磁環(huán)境信號采集存儲，將采集數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室再使用儀器復(fù)現(xiàn)出來。

工程師在信號采集和回放過程中可能使用到的儀表有的是使用IQ采樣數(shù)據(jù)，有的是使用中頻采樣數(shù)據(jù)。如果不理解兩者的差異，很容易出現(xiàn)錯誤。

信號與頻譜分析儀是一種常見的射頻信號采集儀表。信號與頻譜分析儀一般具有模擬中頻輸出接口，可以連接采集卡進(jìn)行采樣，得到的數(shù)據(jù)為單路中頻采樣數(shù)據(jù)，載波頻率為頻譜儀的中頻頻率。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是采集時間可以很長，采集時間由采集卡決定。同時，很多信號與頻譜分析儀也有保存IQ采樣數(shù)據(jù)文件的能力，保存的數(shù)據(jù)文件為兩路IQ采樣數(shù)據(jù)（可能是一個文件，但數(shù)據(jù)是兩路數(shù)據(jù)，例如以IQIQIQ的形式存儲）。一般信號與頻譜分析儀保存的IQ采樣數(shù)據(jù)文件的采樣點(diǎn)較少。

矢量信號源是一種常見的信號回放儀表。一般情況下，矢量信號源需要IQ采樣格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行信號回放。如果是中頻采樣的單路中頻采樣數(shù)據(jù)使用矢量信號源回放，就會出現(xiàn)不匹配的問題。為了解決這個問題，有兩種方案可供選擇：

1)將中頻采樣信號直接作為IQ采樣信號中的一路，另一路不使用（值為零）

2)將中頻采樣信號轉(zhuǎn)換為IQ采樣信號

其中方法一較為簡單，方法二需要一定的數(shù)字信號處理能力。方法一的主要缺點(diǎn)有：

1)在矢量信號源上設(shè)置的頻率并非真實(shí)載波頻率，使用不直觀。真實(shí)載波頻率=儀表設(shè)置頻率±中頻頻率。例如采集的中頻70MHz帶寬10MHz的信號，如果希望回放時信號中心頻率為1GHz，矢量信號源的頻率不能設(shè)置為1GHz，而應(yīng)該設(shè)置為930MHz或者1070MHz。

2)產(chǎn)生的信號為雙邊帶信號，會在RF+IF、RF-IF各產(chǎn)生一路信號，其中一個邊帶為無用信號、干擾信號。例如實(shí)例中如果設(shè)置矢量信號源頻率為930MHz，那么在1GHz和860MHz都會產(chǎn)生帶寬為10MHz的信號。

3) 矢量信號源需要更高的采樣率、更高的信號帶寬，意味著更昂貴的儀表。例如中頻70MHz帶寬10MHz的信號，中頻采樣的采樣率需要150MHz，IQ采樣的采樣率為10MHz。

因此，方法二是更理想的選擇。

四、中頻采樣數(shù)據(jù)與IQ采樣數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換

IQ采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為中頻采樣數(shù)據(jù)的過程，其實(shí)就是用數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制的過程。此過程只需要簡單的加法和乘法運(yùn)算。

IF_Signal = I_signal*cos(a) + Q_signal*sin(a)

需要注意的是：由于IQ采樣的采樣率很低，中頻采樣需要的采樣率更高，在進(jìn)行加法和乘法運(yùn)算前，可能需要先提高IQ數(shù)據(jù)的采樣率。可以使用Matlab的重采樣函數(shù)resample(x,P,Q)來提高采樣率。

中頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IQ采樣數(shù)據(jù)要相對更加復(fù)雜一點(diǎn)。中頻采樣數(shù)據(jù)可以通過數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換為IQ采樣數(shù)據(jù)。其主要原理框圖如下：

圖3、中頻采樣信號數(shù)字下變頻框圖

將中頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IQ采樣數(shù)據(jù)的主要過程包括：數(shù)字下變頻、濾波、抽取。抽取是指采樣率降低的過程，因?yàn)镮Q采樣需要的采樣率更低，因此一般都包含抽取。使用Matlab的數(shù)字信號處理工具包中的數(shù)字下變頻函數(shù)dsp.DigitalDownConverter，可以較為方便的將中頻采樣信號轉(zhuǎn)換為IQ采樣信號。

使用Matlab將中頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IQ采樣數(shù)據(jù)的參考代碼關(guān)鍵部分如下：

clear;
%構(gòu)造一個數(shù)字下變頻函數(shù)，抽取系數(shù)為2，中頻50MHz，濾波器帶寬20MHz，帶內(nèi)紋波0.5dB，帶外抑制60dB
hDDC = dsp.DigitalDownConverter(...
'DecimationFactor',2,...
'SampleRate', samplerate,...
'Bandwidth', 20e6,...
'StopbandAttenuation', 60,...
'PassbandRipple',0.5,...
'CenterFrequency',50e6);
% 進(jìn)行數(shù)字下變頻，IF_Sample_Data為中頻采樣數(shù)據(jù)
IQ_Sample_Data = step(hDDC,IF_Sample_Data);

下面是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的信號頻譜圖對比，主要是載波頻率的搬移。載波頻率由中頻頻率轉(zhuǎn)換為DC。原始中頻采樣數(shù)據(jù)的頻譜，中頻為50MHz：

圖4、中頻采樣信號頻譜

轉(zhuǎn)換后IQ采樣信號頻譜沒有載波頻率，如下圖所示：

圖5、轉(zhuǎn)換為IQ采樣后的頻譜

以上便是要給大家分享的內(nèi)容，希望對大家有所幫助~~

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本期原創(chuàng)工程師：皓月

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：中頻采樣和IQ采樣的比較和轉(zhuǎn)換

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