Kvadratuurisignaaleja, joita kutsutaan myös IQ-signaaleiksi, IQ-dataksi tai IQ-näytteiksi, käytetään usein RF-sovelluksissa. Ne muodostavat perustan monimutkaiselle RF-signaalien moduloinnille ja demoduloinnille sekä laitteistoissa että ohjelmistoissa sekä monimutkaisessa signaalianalyysissä. Tässä postauksessa tarkastellaan IQ-signaalien käsitettä ja niiden käyttöä.
Parin jaksollisten signaalien sanotaan olevan ”kvadratuurissa”, kun niiden vaihe eroaa 90 astetta. ”Vaiheessa olevaan” tai referenssisignaaliin viitataan nimellä ”I”, ja signaalia, joka on siirtynyt 90 astetta (kvadratuurisignaali), kutsutaan nimellä ”Q”. Mitä tämä tarkoittaa ja miksi meitä kiinnostaa? Aloitetaan perusasioista.
RF-modulaation perusteet
Aloitan tarkastelemalla yksinkertaista RF-modulaatiota. Moduloimaton RF-kantoaalto on yksinkertaisesti siniaalto, kuten alla on esitetty.
Signaali voidaan kuvata ajan funktiona seuraavalla yhtälöllä:
V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф)
missä:
A: on huippuamplitudi
f: on taajuus
t: on aika
Ф: on vaiheensiirto
Informaatiota ”kuljetetaan” RF-kantoaallon kantoaallon avulla modulaatioprosessin avulla. Informaatiosignaalia (ääni, data jne.) käytetään RF-signaalin ominaisuuksien muuttamiseen. Yksinkertainen esimerkki on amplitudimodulaatio eli AM.
Amplitudimodulaatiossa informaatiosignaalia käytetään kantoaallon amplitudin muuttamiseen tai modulointiin. Matemaattisesti se voidaan esittää muuttamalla edellisessä yhtälössä oleva vakio ”A” joksikin ajassa muuttuvaksi signaaliksi (informaatiosignaaliksi):
V(t) = A(t) * sin (2 * π * f * t + Ф)
Informaatiosignaali, joka tunnetaan myös nimellä peruskaistasignaali, muuttuu paljon hitaammin ajan myötä kuin RF-signaali. Siksi modulaation vaikutuksen havaitsemiseksi on tarkkailtava RF-signaalin kuorta pidemmällä aikaskaalalla, kuten alla on esitetty.
Tässä tapauksessa A(t)-signaali on sinimuotoinen. Kuvasta näkyy, miten RF-signaalin amplitudi seuraa sinimuotoista A(t)-peruskaistasignaalia.
Voit laajentaa tätä havaitsemalla, että RF-kantoaallon muita ominaisuuksia voidaan muuttaa tai moduloida peruskaistasignaalilla ajan suhteen. Jos taajuutta moduloidaan peruskaistasignaalilla, kyseessä on taajuusmodulaatio (FM). Vastaavasti, jos vaihetta moduloidaan, kyseessä on vaihemodulaatio (PM). Siten:
- A(t) on, kun amplitudi vaihtelee ajan suhteen
- f(t) on, kun taajuus vaihtelee ajan suhteen
- Ф(t) on, kun vaihe vaihtelee ajan suhteen.
Pitäkää modulaation peruskäsite mielessä, kun sitoudumme kvadratuurisignaalien käsitteeseen…
Kvadratuurisignaalien käsitteet
Jos kahden sinimuotoisen signaalin vaihe-ero Ф on 90 astetta (tai π /2 radiaania), näiden kahden signaalin sanotaan olevan kvadratuurissa. Esimerkkinä tästä ovat siniaalto ja kosiniaalto.
Konvention mukaan kosiniaalto on in-vaihekomponentti ja siniaalto on kvadratuurikomponentti. Iso kirjain I edustaa vaiheisen signaalin amplitudia ja iso kirjain Q edustaa kvadratuurisignaalin amplitudia.
Kvadratuurisignaalien käyttäminen modulointiin
Mielenkiintoisia asioita tapahtuu, kun tarkastellaan kvadratuurisignaalien yhteenlaskemista.
Jos I=1 ja Q=0, saataisiin pelkkä kosiniaalto (vaihe on 0). Vastaavasti, jos I=0 ja Q=1, sinulla olisi siniaalto, joka on 90 astetta siirtynyt signaali.
Jos sekä I että Q olisivat yhtä suuret kuin 1, niin summa olisi uusi signaali, joka on esitetty graafisesti alla.
Huomaa, että näiden kahden yhtä amplitudisen kvadratuurisignaalin yhteenlasku johtaa uuteen sinimuotoiseen signaaliin, joka on 45 astetta vaihetta siirtynyt.
Voit nyt nähdä, että kvadratuurisignaalien summan amplitudi ja vaihe ovat I:n ja Q:n arvon funktio. Voit siis luoda moduloituja RF-signaaleja vaihtelemalla I:n ja Q:n arvoja ajan suhteen. Katsotaanpa muutamia esimerkkejä.
Digitaalisen RF-modulaation esimerkkejä
Jos Q=0 ja I muuttuu ajan funktiona välillä +1 ja -1, luodaan Binary Phase Shift Keyed RF-signaali (BPSK):
Signaali I(t) voisi olla yksinkertainen digitaalinen bittivirta. Jos annat tuon signaalin ohjata RF-sinusoidin vahvistusta välillä +1 ja -1, olet luonut BPSK-signaalin.
Mennään vielä askeleen pidemmälle… Jos kahta digitaalista bittiä käytetään ohjaamaan I:n ja Q:n arvoja välillä +1 ja -1 ajan kuluessa, niin kvadratuurisignaalien tuloksena syntyvä summa voi olla yksi neljästä eri vaiheesta:
- I=+1 & Q=+1 johtaa 45 asteen vaiheeseen
- I=-1 & Q=+1 johtaa 135 asteen vaiheeseen
- I=-1 & Q=-1 johtaa 225 asteen vaiheeseen
- I=+1 & Q=-1 johtaa 315 asteen vaiheeseen
Tämä tunnetaan nimellä Quadrature Phase Shift Keying Modulation (QPSK). Nämä ovat kaksi esimerkkiä kvadraattiamplitudimodulaatiosta (QAM). QAM:n eri modulaatiotilat esitetään usein konstellaatiokaaviossa. Konstellaatiokaavio on yksinkertaisesti vaihekaavio, joka kuvaa signaalin amplitudin ja vaiheen polaarikuviona.
Vektorin pituus origosta edustaa signaalin suuruutta, ja vektorin vaaka-akselin kanssa muodostama kulma edustaa vaihetta. Edellä kuvatun QPSK-signaalin neljä ”tilaa” esitetään kuvassa neljänä ”+”-symbolina. Huomaat myös, että vaaka-akselilla on merkintä ”I” ja pystyakselilla merkintä ”Q” – koska ne edustavat signaaliin liittyviä I- ja Q-komponenttien arvoja.
Monimutkaisemmissa QAM-modulaatioissa, kuten 16QAM, on yksinkertaisesti enemmän tiloja. 16QAM:ssä I- ja Q-arvoilla voi kullakin olla yksi neljästä diskreetistä arvosta, jolloin saadaan 16 mahdollista yhdistelmää. Tästä seuraa 16 amplitudi- ja vaiheyhdistelmää RF-signaalille.
Quadratuurisignaalit kaikkialla
Ajan myötä vaihtelevien I- ja Q-signaalien käyttäminen moduloitujen RF-signaalien luomiseksi ei rajoitu digitaalisiin peruskaistasignaaleihin. I(t) ja Q(t) -peruskaistasignaalit voivat olla myös analogisia peruskaistasignaaleja.Itse asiassa useimmissa ”digitaalisesti” moduloiduissa RF-sovelluksissa, kuten QPSK:ssa tai nQAM:ssa, peruskaistasignaalit suodatetaan siirtymien hidastamiseksi. Näin rajoitetaan moduloidun RF-signaalin kaistanleveyttä (nopeat digitaaliset nousu- ja laskuajat vievät paljon kaistanleveyttä!). Nämä suodatetut digitaaliset signaalit ovat käytännössä analogisia signaaleja! Yleisemmässä mielessä kvadratuurimodulaatioprosessi voidaan siis havainnollistaa tässä kuvassa esitetyllä tavalla:
Yleinen johtopäätös, jonka voit tehdä tästä, on se, että RF-signaali, jossa on minkälainen modulaatio tahansa, voidaan luoda sopivilla I(t)- ja Q(t)-peruskaistasignaaleilla (jotka vuorostaan muuttavat yhteenlaskettujen kosini- ja siniaaltojen amplitudeja).
Sama sama prosessi toimii tietysti päinvastaisessa järjestyksessä, kun kyseessä on RF-signaalin demodulointi. Sekoittamalla RF-signaali ja LO-signaalit (paikallisoskillaattorin signaalit) kvadratuurissa voidaan luoda I(t)- ja Q(t)-peruskaistasignaalit.
Tämä on useimpien nykyaikaisten RF-signaalien tuottamisen ja moduloinnin sekä demodulaation ja vektorisignaalien analyysin perustana.
Software Defined Radio (SDR) -järjestelmät käyttävät näitä käsitteitä laajasti, koska peruskaistan I & Q-signaalit esitetään usein diskreettina aikanäytteinä. Siksi digitaalista signaalinkäsittelyä (DSP) voidaan käyttää määrittelemään kirjaimellisesti lähettimen ja vastaanottimen ominaisuudet, mukaan lukien suodatus, modulaatio ja demodulaatio, AGC jne. SDR-vastaanottimissa on usein muutaman sadan kHz:n tai useamman kHz:n peruskaistanleveys, mikä antaa mahdollisuuden suorittaa monenlaisia toimintoja, mukaan lukien ”leveät” kaistanleveys- ja spektrogrammitoiminnot, sekä kyvyn valvoa ja demoduloida useita erityyppisiä signaaleja samanaikaisesti.
Vektorisignaaligeneraattoreissa on kvadratuurimodulaattori, joka hyväksyy I(t)- ja Q(t)-signaalit, joita se sen jälkeen käyttää amplitudimoduloidakseen parin kvadratuurisinusoideja, jotka sitten summataan yhteen luodakseen moduloidun RF-ulostulon. Monissa vektorisignaaligeneraattoreissa on yleensä paneeliliitännät, joihin voit liittää omat IQ-signaalisi. Monissa on myös sisäinen peruskaistageneraattori (AWG, Arbitrary Waveform Generator) peruskaistan IQ-signaalien luomiseksi.
Nykyaikaisissa vektorisignaalianalysaattoreissa on tyypillisesti 25, 40, 110 MHz:n tai suurempia kaistanleveyksiä. Ne muuttavat saapuvat RF-signaalit niiden I- ja Q-komponenteiksi. Kaikki analyysi (spektrianalyysi ajan suhteen, demodulaatio, pulssianalyysi jne.) on yksinkertaisesti saman IQ-datan erilaista matemaattista käsittelyä. Reaaliaikaisilla signaalianalysaattoreilla, kuten Tektronixin RSA5000- ja RSA6000-sarjoilla, on lisäksi mahdollisuus ottaa vastaan reaaliaikaisia IQ-tietovirtoja ja käsitellä niitä reaaliaikaisesti. Tämä lisää kykyä tehdä asioita, kuten visualisoida RF-signaalin live-spektri, sekä pystyä laukaisemaan transienttitapahtumia, jotka saattavat näkyä vain taajuusalueella.
Katso Tektronixin uusimmat spektrianalysaattoritarjoukset.