中頻采樣和IQ采樣的比較和轉(zhuǎn)換
射頻接收系統(tǒng)通常使用數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和分析，因此需要使用ADC對(duì)信號(hào)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(duì)ADC的帶寬和采樣率要求更低，同時(shí)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(hào)解調(diào)和分析算法中常見(jiàn)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
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(hào)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(hào)為例，對(duì)兩種采樣方式進(jìn)行比較。中頻信號(hào)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(hào)為基帶信號(hào)，沒(méi)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(hào)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(jiàn)，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(hào)采集存儲(chǔ)和數(shù)字信號(hào)處理中具有優(yōu)勢(shì)。
然而IQ采樣硬件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時(shí)IQ采樣對(duì)硬件的性能要求很高，理想的IQ采樣需要兩路信號(hào)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(huì)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(lái)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。
儀表中常見(jiàn)的中頻采樣和IQ采樣
工程師對(duì)信號(hào)采樣的目的有很多，可能是為了信號(hào)解調(diào)和分析，也可能是為了將信號(hào)復(fù)現(xiàn)出來(lái)。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(hào)采集存儲(chǔ)，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(lái)。
工程師在信號(hào)采集和回放過(guò)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(cuò)誤。
信號(hào)與頻譜分析儀是一種常見(jiàn)的射頻信號(hào)采集儀表。信號(hào)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(shí)間可以很長(zhǎng)，采集時(shí)間由采集卡決定。同時(shí)，很多信號(hào)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(gè)文件，但數(shù)據(jù)是兩路數(shù)據(jù)，例如以IQIQIQ的形式存儲(chǔ)）。一般信號(hào)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(hào)源是一種常見(jiàn)的信號(hào)回放儀表。一般情況下，矢量信號(hào)源需要IQ采樣格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行信號(hào)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(hào)源回放，就會(huì)出現(xiàn)不匹配的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有兩種方案可供選擇：
- 將中頻采樣信號(hào)直接作為IQ采樣信號(hào)中的一路，另一路不使用（值為零）
- 將中頻采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為IQ采樣信號(hào)
其中方法一較為簡(jiǎn)單，方法二需要一定的數(shù)字信號(hào)處理能力。方法一的主要缺點(diǎn)有：
- 在矢量信號(hào)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(hào)，如果希望回放時(shí)信號(hào)中心頻率為1GHz，矢量信號(hào)源的頻率不能設(shè)置為1GHz，而應(yīng)該設(shè)置為930MHz或者1070MHz。
- 產(chǎn)生的信號(hào)為雙邊帶信號(hào)，會(huì)在RF+IF、RF-IF各產(chǎn)生一路信號(hào)，其中一個(gè)邊帶為無(wú)用信號(hào)、干擾信號(hào)。例如實(shí)例中如果設(shè)置矢量信號(hào)源頻率為930MHz，那么在1GHz和860MHz都會(huì)產(chǎn)生帶寬為10MHz的信號(hào)。
- 矢量信號(hào)源需要更高的采樣率、更高的信號(hào)帶寬，意味著更昂貴的儀表。例如中頻70MHz帶寬10MHz的信號(hào)，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。
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(guò)程，其實(shí)就是用數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制的過(guò)程。此過(guò)程只需要簡(jiǎn)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?？梢允褂肕atlab的重采樣函數(shù)resample(x,P,Q)來(lái)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(duì)更加復(fù)雜一點(diǎn)。中頻采樣數(shù)據(jù)可以通過(guò)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(hào)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(guò)程包括：數(shù)字下變頻、濾波、抽取。抽取是指采樣率降低的過(guò)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為IQ采樣信號(hào)。
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(gè)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60dBhDDC = 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(hào)頻譜圖對(duì)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(hào)頻譜
轉(zhuǎn)換后IQ采樣信號(hào)頻譜沒(méi)有載波頻率，如下圖所示：
圖5、轉(zhuǎn)換為IQ采樣后的頻譜
