SDR架构 (一）为什么基带有I和Q路？

我之前做过自己的RTL-SDR。一直有一个疑惑。为啥rtl2832u芯片有一对差分I路，还有一对差分Q路。差分很好理解是为了抗干扰，但为啥要I和Q呢？并且我也知道不少人在自己修改的时候，保留I路对接在r820t2（跟原版一样），而把Q路作为直采。

那么我就有一个疑惑，既然Q路可以挪作它用，并且不影响RTL-SDR本来的功能。为什么rtl2832u不只保留I路呢？而且我在电脑上写解调软件的时候，即使用的是原版rtlsdr，只有I路有效，但还是有交织的IQ数据输出出来的。如果原版rtl2832u的Q路什么都没接那么这个Q路是哪里来的呢？

虽然后来有一位朋友跟我说过，rtl2832u有两种使用模式。第一种是类似原版的（或者说是用r820t2前端的版本），只用I路获取中频信号，也就是下图(b)。第二种方式是用I路和Q路去获取基带信号，也就是下图(a)。

但是我当时还是没有完全搞懂。为啥rtl2832u在采样时中频可以只采一路，而基带采样必须要分别采I路和Q路？在我看来中频和基带都是在频谱上的一段区域，没有什么区别。为啥基带不能像中频那样只用一个ADC采样，然后再到数字部分分成I和Q呢？或者说干脆不要I和Q直接用基带信号解调了。

我也看过一些地方说IQ调制可以增加信道容量，提高频谱利用率之类的说法，但我并没有很深刻的理解。

直到我最近找到了一本好书:

<Fundamentals of RF and Microwave Techniques and Technologies>

这本书的第12章解答了我的一直以来的疑惑。

上图是软件无线电架构的一般化表示。我们关心的主要就是ADC前面的模拟前端。

0.如果目标频率比较低，可以直采，那么左侧模拟前端里只有一些放大器、滤波器就行，没有混频器。与前面彩图(c)对应。

如果目标频率高，左侧模拟前端必须有混频器，它又分为两种：

1.用一个简单的混频器（1个余弦），下变频到ADC支持的频率范围内。与彩图(b)对应。

2.用正交混频，也就是先分为两路，一路用余弦，另一路用正弦，分别采样，其中一路移相后再叠加。与彩图(a)对应。

这时候你可能就会想，用简单混频器就行，为什么还要正交混频这种复杂的结构？

关键在于，我们想降低ADC的采样率，减轻后处理的负担。

这部分说到了，为了降低采样率，基带信号频率不能太高，它的频率离0Hz比较近。这就意味着本振信号与要接收的信号频率也比较接近，这样混频后才会在0Hz附近。

观察上图fLO的竖线就是本振，实线三角形是我们感兴趣的信号。注意它们之间的距离比较近，好处是变频到基带后实线三角形离0Hz比较近。坏处你马上就知道了。

我们可以看一下虚线三角形。这个位置实际上不一定有信号，一旦空气中存在一个这个频率的信号，它也会一起混频，下搬移到负频率处。而所有的负频率又可以翻折到正频率上来。一旦翻折过来，它就会和我们要的基带信号（0Hz附近的实线三角形）重叠在一起。那就无法正常解调了。

你可能会说为什么不在刚开始接收信号的时候就用滤波器把需要的频段与不需要的频段分隔开呢？但所有滤波器都不是理想的，如果虚线三角形离实线三角形很远，当然可以用滤波器区分，但如果很近就无法区分了。

所以，上面这些就解释了，如果你要用简单混频器，那么就不能直接变到0Hz附近的基带，而是搬得稍微高一点，比如对于rtlsdr来说就是3~5MHz就没问题。而这个频段就是我们说的中频了。这就解释了彩图(b)只能在中频起作用，不能把这个架构用于基带采样。

其实rtlsdr的采样率比我们想象中的高，虽然程序中一般只用到2MSps，但这是降采样后的，实际它的硬件采样率可以到20多MSps。这样它就可以采下这个中频信号。

但如果要设计的SDR要支持更高带宽的信号，它的中频就必须更高，我们的ADC采样率不够采这么高的中频，我们就必须考虑其它方案。也就是彩图(a)的架构。

彩图(a)的架构可以让信号直接变到0Hz附近的基带，而又不被镜像干扰。这也是我找的这本书中重点解释的架构。它在模拟部分就用两个稍有不同的混频器，分别下变频，再把一路移相再相加，就能得到没有镜像干扰的基带信号。

上图就是刚刚说的架构，这种混频器架构是1928年提出的，当时没有SDR。所以都是模拟电路。在SDR中，其实右边部分已经是ADC以后的软件实现的了。

这里是对应的公式推导。公式推导证明了，在输出端可以得到下变频后的S(t)，它的载波从w2变为了wIF，并且输出端的信号可以只有我们要的S(t)，而与R(t)无关。当然如果你要的是R(t)也行，只是最后一步要用减法而不是加法。

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此书不但讲了为什么要用IQ采样基带信号，还解释了为啥要做IQ的幅度校正和相位校正。如果不做那么刚刚正好能约掉的项目就约不掉了。之前看到Lime官方也讲过这个问题，但当时只是看到调节LimeSuite后星座图/频谱图确实有一些改善。但没理解为什么。

下面是这本书的解释。

书中还提出了IRR这个指标，但光看公式就能看出增益和相位不平衡会带来一些无法抵消的项目了。

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上文已经解释了为啥要彩图(a)要用IQ。但为啥彩图(b)和(c)在数字部分还要用IQ？不清楚。。。

文中提到的书可以在Springer出版社官网免费下载。

原文地址：https://blog.csdn.net/shukebeta008/article/details/136369502

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