A kvadraturális jeleket, más néven IQ jeleket, IQ adatokat vagy IQ mintákat gyakran használják RF alkalmazásokban. Ezek képezik az alapját az összetett RF jelek modulációjának és demodulációjának, mind hardverben, mind szoftverben, valamint az összetett jelelemzésben. Ez a bejegyzés az IQ-jelek fogalmát és felhasználásukat vizsgálja.
Egy periodikus jelpárról azt mondjuk, hogy “kvadratúrában” van, ha fázisuk 90 fokkal különbözik egymástól. Az “in-fázisú” vagy referenciajelet “I”-nek, a 90 fokkal eltolt jelet (a kvadratúrában lévő jelet) pedig “Q”-nak nevezzük. Mit jelent ez, és miért érdekel ez minket? Bontsuk le, és kezdjük az alapokkal.
A rádiófrekvenciás moduláció alapjai
Az egyszerű rádiófrekvenciás moduláció áttekintésével kezdem. Egy modulálatlan RF vivő egyszerűen egy szinuszhullám, ahogy az alább látható.
A jel az idő függvényében a következő egyenlet segítségével írható le:
V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф)
ahol:
A: a csúcs amplitúdó
f: a frekvencia
t: az idő
Ф: a fáziseltolódás
Az információt egy RF vivő “hordozza” a moduláció folyamatán keresztül. Az információs jel (hang, adat stb.) az RF jel tulajdonságainak megváltoztatására szolgál. Egyszerű példa erre az amplitúdómoduláció vagy AM.
Az AM esetében az információs jelet a vivő amplitúdójának megváltoztatására vagy modulálására használják. Matematikailag úgy ábrázolható, hogy az előző egyenletben szereplő “A” állandót valamilyen időben változó jellé (információs jellé) változtatjuk:
V(t) = A(t) * sin (2 * π * f * t + Ф)
Az információs jel, más néven alapsávjel, sokkal lassabban változik az idővel, mint az RF jel. Ezért ahhoz, hogy lássuk a moduláció hatását, meg kell figyelnünk az RF jel burkológörbéjét egy hosszabb időskálán, ahogy az alább látható.
Az A(t) jel ebben az esetben egy szinuszos jel. Az ábrán látható, hogy az RF jel amplitúdója hogyan követi a szinuszos A(t) alapsávjelet.
Ezt kibővítheti azzal, hogy felismeri, hogy az RF vivő más tulajdonságait is megváltoztathatja, vagy modulálhatja az alapsávjel az idő függvényében. Ha a frekvenciát egy alapsávú jel modulálja, akkor frekvenciamodulációról (FM) van szó. Hasonlóképpen, ha a fázist modulálják, akkor fázismodulációról (PM) van szó. Így:
- A(t) az, amikor az amplitúdó változik az idő függvényében
- f(t) az, amikor a frekvencia változik az idő függvényében
- Ф(t) az, amikor a fázis változik az idő függvényében.
A moduláció alapfogalmát tartsuk szem előtt, amikor a kvadratúrjelek fogalmába kötjük…
Kvadratúrjel fogalmak
Ha két szinuszoid közötti Ф fáziskülönbség 90 fok (vagy π /2 radián), akkor ezt a két jelet kvadratúrának mondjuk. Erre példa a szinuszhullám és a koszinuszhullám.
A konvenció szerint a koszinuszhullám a fázison belüli komponens, a szinuszhullám pedig a kvadratúra komponens. Az I nagybetű az in-fázisú jel amplitúdóját, a Q nagybetű pedig a kvadratúrajel amplitúdóját jelöli.
Kvadratúrajelek használata modulációhoz
Érdekes dolgok történnek, ha a kvadratúrajelek összeadását vizsgáljuk.
Ha I=1 és Q=0, akkor egyszerűen a koszinuszhullámot kapjuk (fázis egyenlő 0-val). Hasonlóképpen, ha I=0 és Q=1, akkor a szinuszhullámot kapnánk, ami a 90 fokkal eltolt jel.
Ha mind I, mind Q egyenlő lenne 1-gyel, akkor az összeg egy új jel lesz, amely grafikusan alább látható.
Megjegyezzük, hogy e két egyenlő amplitúdójú kvadratúrajel összeadása egy új, 45 fokkal fáziseltolódott szinuszjelet eredményez.
Most már láthatjuk, hogy a kvadratúrajelek összegének amplitúdója és fázisa az I és Q értékének függvénye. Ezért az I és Q értékek idő függvényében történő változtatásával modulált RF jeleket hozhatunk létre. Nézzünk néhány példát.
Digitális RF modulációs példák
Ha Q=0, és az I értéke +1 és -1 között változik az időben, akkor egy bináris fáziseltolású kulcsos RF jelet (BPSK) hozunk létre:
Az I(t) jel lehet egy egyszerű digitális bitfolyam. Ha ezzel a jellel szabályozza az RF-szinusz erősítését +1 és -1 között, akkor egy BPSK jelet hozott létre.
Egy lépéssel továbblépve… Ha két digitális bitet használunk az I és Q értékek időbeli +1 és -1 közötti vezérlésére, akkor a kvadratúrajelek eredő összege négy különböző fázis egyike lehet:
- I=+1 & Q=+1 45 fokos fázist eredményez
- I=-1 & Q=+1 135 fokos fázist eredményez
- I=-1 & Q=-1 225 fokos fázist eredményez
- I=+1 & Q=-1 315 fokos fázist eredményez
Ezt nevezzük kvadraturális fáziseltolású modulációnak (QPSK). Ez két példa a kvadratúra amplitúdó modulációra (QAM). A QAM különböző modulációs állapotait gyakran egy konstellációs diagramon ábrázolják. A konstellációs diagram egyszerűen egy fázisdiagram, amely a jel amplitúdóját és fázisát polárdiagramként ábrázolja.
A vektornak az origótól számított hossza a jel nagyságát, a vektornak a vízszintes tengellyel bezárt szöge pedig a fázist jelenti. A fent leírt QPSK jel négy “állapota” a négy “+” szimbólumként jelenik meg az ábrán. Azt is észre fogja venni, hogy a vízszintes tengelyen az “I”, a függőleges tengelyen pedig a “Q” felirat szerepel – mivel ezek a jelhez tartozó I és Q komponens értékeit jelölik.
A bonyolultabb QAM modulációk, mint például a 16QAM, egyszerűen több állapottal rendelkeznek. A 16QAM esetében az I és Q értékek mindegyike négy diszkrét értéket vehet fel, ami 16 lehetséges kombinációt eredményez. Ez 16 amplitúdó- és fáziskombinációt eredményez az RF-jel számára.
Kvadraturális jelek mindenhol
A modulált RF-jelek létrehozásához időben változó I és Q jelek használata nem korlátozódik a digitális alapsávú jelekre. Az I(t) és Q(t) alapsávjelek lehetnek analóg alapsávjelek is. valójában a legtöbb “digitálisan” modulált RF alkalmazásban, mint például a QPSK vagy az nQAM, az alapsávjeleket szűrik, hogy lelassítsák az átmeneteket. Ez azért történik, hogy korlátozzák a modulált RF jel eredő sávszélességét (a gyors digitális emelkedési/esési idők sok sávszélességet foglalnak el!). Ezek a szűrt digitális jelek gyakorlatilag analóg jelek! Általánosabb értelemben tehát a kvadratúramodulációs folyamat az alábbi ábrán látható módon szemléltethető:
Az ebből levonható általános következtetés az, hogy bármilyen típusú modulációjú RF jel létrehozható a megfelelő I(t) és Q(t) alapsávú jelekkel (amelyek viszont az összegzett koszinusz- és szinuszhullámok amplitúdóit változtatják).
Természetesen ugyanez a folyamat fordítva is működik egy RF jel demodulálásához. Egy RF jel és LO (helyi oszcillátor) jelek kvadratúrában történő keverésével I(t) és Q(t) alapsávú jelek hozhatók létre.
Ez a legtöbb modern RF jelgenerálás és moduláció, valamint a demoduláció és a vektorjel-elemzés alapvető alapja.
A szoftveresen definiált rádiós (SDR) rendszerek széles körben használják ezeket a fogalmakat, mivel az alapsávú I & Q jeleket gyakran diszkrét időben mintavételezett adatokként ábrázolják. Ezért a digitális jelfeldolgozás (DSP) használható az adó és a vevő jellemzőinek szó szerinti meghatározására, beleértve a szűrést, a modulációt és a demodulációt, az AGC-t stb. Az SDR-vevők gyakran néhány száz kHz-es vagy annál nagyobb alapsávú sávszélességgel rendelkeznek, ami sokféle funkció elvégzésére ad lehetőséget, beleértve a “széles” sávskóp és spektrogram funkciókat, valamint azt, hogy egyszerre több különböző típusú jelet tudnak egyszerre figyelni és demodulálni.
A vektoros jelgenerátorok kvadratúramodulátorral rendelkeznek, amely elfogadja az I(t) és Q(t) jeleket, amelyeket aztán egy pár kvadratúraszinuszos amplitúdómodulációra használ, amelyeket aztán összegeznek a modulált RF-kimenet létrehozásához. Sok vektorjel-generátor általában tartalmaz panelcsatlakozókat, amelyekhez csatlakoztathatja saját IQ jeleit. Sokan tartalmaznak egy belső alapsávú önkényes hullámforma-generátort (AWG) az alapsávú IQ-jelek létrehozásához.
A modern vektoros jelanalizátorok jellemzően 25, 40, 110 MHz-es vagy annál nagyobb sávszélességgel rendelkeznek. A bejövő RF jeleket I és Q komponenseikre alakítják át. Az összes elemzés (spektrális elemzés az idő függvényében, demoduláció, impulzuselemzés stb.) egyszerűen ugyanazon IQ-adatok különböző matematikai feldolgozása. A valós idejű jelanalizátorok, mint például a Tektronix RSA5000 és RSA6000 sorozat, rendelkeznek azzal a további képességgel, hogy az “élő” IQ-adatfolyamokat fogadják, és valós idejű feldolgozást végeznek az adatokon. Ez olyan dolgokat tesz lehetővé, mint például az RF jel élő spektrumának vizualizálása, valamint a tranziens eseményekre való triggerelés, amelyek csak a frekvenciatartományban láthatók.
Tekintse meg a Tektronix legújabb spektrumanalizátor kínálatát.