射頻接收系統：中頻采樣和IQ采樣的比較和轉換

一、什么是中頻采樣，什么是IQ采樣

射頻接收系統通常使用數字信號處理算法進行信號解調和分析，因此需要使用ADC對信號進行采樣。根據采樣頻率的不同，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，采樣結果為一組數字序列，而IQ采樣需要兩路ADC，采樣結果為兩組數字序列。中頻采樣比射頻采樣對ADC的帶寬和采樣率要求更低，同時寬帶接收機的中頻頻率一般為固定頻率，故中頻采樣應用非常廣泛。中頻采樣的主要原理框圖如下：

圖1、中頻采樣框圖

IQ采樣能提供數字信號解調和分析算法中常見的IQ兩路數據，也有非常廣泛的應用。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采樣的主要區別包括采樣信號的載波頻率、采樣通道數、采樣率等。以中頻頻率70MHz帶寬10MHz信號為例，對兩種采樣方式進行比較。中頻信號的載波頻率為IF（實例為70MHz），最低頻率為IF-BW/2 （實例為65MHz)，最高頻率為IF+BW/2 （實例為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（實例為150MHz），IQ采樣的最低采樣率為BW（實例為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，數據量仍然更小，故而在信號采集存儲和數字信號處理中具有優勢。

然而IQ采樣硬件結構更為復雜，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字下變頻得到IQ數據的方法，可以算是中頻采樣和IQ采樣的結合。

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和分析，也可能是為了將信號復現出來。例如設備在某電磁環境中工作異常，就可以用儀器將此電磁環境信號采集存儲，將采集數據帶回實驗室再使用儀器復現出來。

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采樣數據，有的是使用中頻采樣數據。如果不理解兩者的差異，很容易出現錯誤。

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，可以連接采集卡進行采樣，得到的數據為單路中頻采樣數據，載波頻率為頻譜儀的中頻頻率。這種方式的優點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采樣數據文件的能力，保存的數據文件為兩路IQ采樣數據（可能是一個文件，但數據是兩路數據，例如以IQIQIQ的形式存儲）。一般信號與頻譜分析儀保存的IQ采樣數據文件的采樣點較少。

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采樣格式的數據文件進行信號回放。如果是中頻采樣的單路中頻采樣數據使用矢量信號源回放，就會出現不匹配的問題。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字信號處理能力。方法一的主要缺點有：

1)在矢量信號源上設置的頻率并非真實載波頻率，使用不直觀。真實載波頻率=儀表設置頻率±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置為1GHz，而應該設置為930MHz或者1070MHz。

2)產生的信號為雙邊帶信號，會在RF+IF、RF-IF各產生一路信號，其中一個邊帶為無用信號、干擾信號。例如實例中如果設置矢量信號源頻率為930MHz，那么在1GHz和860MHz都會產生帶寬為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、中頻采樣數據與IQ采樣數據的相互轉換

IQ采樣數據轉換為中頻采樣數據的過程，其實就是用數學運算實現IQ調制的過程。此過程只需要簡單的加法和乘法運算。

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，在進行加法和乘法運算前，可能需要先提高IQ數據的采樣率?？梢允褂?a href="http://www.qd573.com/tags/matlab/" target="_blank">Matlab的重采樣函數resample(x,P,Q)來提高采樣率。

中頻采樣數據轉換為IQ采樣數據要相對更加復雜一點。中頻采樣數據可以通過數字下變頻轉換為IQ采樣數據。其主要原理框圖如下：

圖3、中頻采樣信號數字下變頻框圖

將中頻采樣數據轉換為IQ采樣數據的主要過程包括：數字下變頻、濾波、抽取。抽取是指采樣率降低的過程，因為IQ采樣需要的采樣率更低，因此一般都包含抽取。使用Matlab的數字信號處理工具包中的數字下變頻函數dsp.DigitalDownConverter，可以較為方便的將中頻采樣信號轉換為IQ采樣信號。

使用Matlab將中頻采樣數據轉換為IQ采樣數據的參考代碼關鍵部分如下：

clear;
%構造一個數字下變頻函數，抽取系數為2，中頻50MHz，濾波器帶寬20MHz，帶內紋波0.5dB，帶外抑制60dB
hDDC = dsp.DigitalDownConverter(...
'DecimationFactor',2,...
'SampleRate', samplerate,...
'Bandwidth', 20e6,...
'StopbandAttenuation', 60,...
'PassbandRipple',0.5,...
'CenterFrequency',50e6);
% 進行數字下變頻，IF_Sample_Data為中頻采樣數據
IQ_Sample_Data = step(hDDC,IF_Sample_Data);

下面是數據轉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換為DC。原始中頻采樣數據的頻譜，中頻為50MHz：

圖4、中頻采樣信號頻譜

轉換后IQ采樣信號頻譜沒有載波頻率，如下圖所示：

圖5、轉換為IQ采樣后的頻譜

以上便是要給大家分享的內容，希望對大家有所幫助~~

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本期原創工程師：皓月

責任編輯：xj

原文標題：中頻采樣和IQ采樣的比較和轉換

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