RF測試筆記是業界一線工程師們通過理論和實踐相結合的方式介紹射頻微波測試技術的專欄，主要涵蓋噪聲係數、數字調製、矢網、頻譜分析、脈衝信號等內容。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。
一、什麼是中頻採樣，什麼是IQ採樣
射頻接收系統通常使用數位訊號處理算法進行信號解調和分析，因此需要使用ADC對信號進行採樣。根據採樣頻率的不同，可以分為射頻直接採樣、中頻採樣、IQ採樣。射頻採樣和中頻採樣只需要一路ADC，採樣結果為一組數字序列，而IQ採樣需要兩路ADC，採樣結果為兩組數字序列。中頻採樣比射頻採樣對ADC的帶寬和採樣率要求更低，同時寬帶接收機的中頻頻率一般為固定頻率，故中頻採樣應用非常廣泛。中頻採樣的主要原理框圖如下：
圖1、中頻採樣框圖
IQ採樣能提供數位訊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採樣的主要原理框圖如下：
圖2、IQ採樣框圖
二、中頻採樣和IQ採樣的比較
中頻採樣與IQ採樣的主要區別包括採樣信號的載波頻率、採樣通道數、採樣率等。以中頻頻率70MHz帶寬10MHz信號為例，對兩種採樣方式進行比較。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）。如果都使用低通採樣，採樣率至少為模擬信號最高頻率的2倍，則中頻採樣的最低採樣率為2*IF+BW（實例為150MHz），IQ採樣的最低採樣率為BW（實例為10MHz）。
由此可見，IQ採樣的採樣率更低，即使考慮兩路採樣的因素，數據量仍然更小，故而在信號採集存儲和數位訊號處理中具有優勢。
然而IQ採樣硬體結構更為複雜，同時IQ採樣對硬體的性能要求很高，理想的IQ採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）。實際的硬體很難滿足IQ採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採樣硬體的不平衡和非正交性帶來的性能惡化，有一種先中頻採樣再使用數字下變頻得到IQ數據的方法，可以算是中頻採樣和IQ採樣的結合。
三、儀表中常見的中頻採樣和IQ採樣
工程師對信號採樣的目的有很多，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採集存儲，將採集數據帶回實驗室再使用儀器復現出來。
工程師在信號採集和回放過程中可能使用到的儀表有的是使用IQ採樣數據，有的是使用中頻採樣數據。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採集儀表。信號與頻譜分析儀一般具有模擬中頻輸出接口，可以連接採集卡進行採樣，得到的數據為單路中頻採樣數據，載波頻率為頻譜儀的中頻頻率。這種方式的優點是採集時間可以很長，採集時間由採集卡決定。同時，很多信號與頻譜分析儀也有保存IQ採樣數據文件的能力，保存的數據文件為兩路IQ採樣數據（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採樣數據文件的採樣點較少。
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採樣格式的數據文件進行信號回放。如果是中頻採樣的單路中頻採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) 將中頻採樣信號直接作為IQ採樣信號中的一路，另一路不使用（值為零）
2) 將中頻採樣信號轉換為IQ採樣信號
其中方法一較為簡單，方法二需要一定的數位訊號處理能力。方法一的主要缺點有：
1) 在矢量信號源上設置的頻率並非真實載波頻率，使用不直觀。真實載波頻率=儀表設置頻率±中頻頻率。例如採集的中頻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、幹擾信號。例如實例中如果設置矢量信號源頻率為930MHz，那麼在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採樣率、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，中頻採樣的採樣率需要150MHz，IQ採樣的採樣率為10MHz。
因此，方法二是更理想的選擇。
四、中頻採樣數據與IQ採樣數據的相互轉換
IQ採樣數據轉換為中頻採樣數據的過程，其實就是用數學運算實現IQ調製的過程。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：由於IQ採樣的採樣率很低，中頻採樣需要的採樣率更高，在進行加法和乘法運算前，可能需要先提高IQ數據的採樣率。可以使用Matlab的重採樣函數resample(x,P,Q)來提高採樣率。
中頻採樣數據轉換為IQ採樣數據要相對更加複雜一點。中頻採樣數據可以通過數字下變頻轉換為IQ採樣數據。其主要原理框圖如下：
圖3、中頻採樣信號數字下變頻框圖
將中頻採樣數據轉換為IQ採樣數據的主要過程包括：數字下變頻、濾波、抽取。抽取是指採樣率降低的過程，因為IQ採樣需要的採樣率更低，因此一般都包含抽取。使用Matlab的數位訊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採樣信號轉換為IQ採樣信號。
使用Matlab將中頻採樣數據轉換為IQ採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，抽取係數為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為中頻採樣數據
IQ_Sample_Data = step(hDDC,IF_Sample_Data);
下面是數據轉換前後的信號頻譜圖對比，主要是載波頻率的搬移。載波頻率由中頻頻率轉換為DC。原始中頻採樣數據的頻譜，中頻為50MHz：
圖4、中頻採樣信號頻譜
轉換後IQ採樣信號頻譜沒有載波頻率，如下圖所示：
圖5、轉換為IQ採樣後的頻譜
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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