直交信号は、IQ信号、IQデータ、IQサンプルとも呼ばれ、RFアプリケーションでよく使用されます。 ハードウェアおよびソフトウェアの両方で、複雑なRF信号の変調と復調の基礎を形成し、複雑な信号解析にも使用されます。 この記事では、IQ信号の概念とその使用方法について説明します。
2つの周期信号の位相が90度異なる場合、「直交」していると言います。 同相の信号、つまり基準信号を “I”、90度ずれた信号(quadratureの信号)を “Q “と呼びます。 これはどういうことで、なぜ気にするのでしょうか。
RF変調の基本
まず、簡単なRF変調の復習から始めたいと思います。 変調されていないRFキャリアは、下図のように単純な正弦波です。
信号は次の式で時間の関数として記述できます：
V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф)
ここで：
A.。 A: ピーク振幅
f: 周波数
t: 時間
Ф: 位相差
情報は変調の過程を経てRFキャリアによって「運ばれ」ます。 情報信号(音声、データなど)は、RF信号の特性を変更するために使用されます。 AMの場合、情報信号は搬送波の振幅を変更する、または変調するために使用されます。 数学的には、前の式の定数「A」を時間的に変化する信号（情報信号）に変更することで表すことができます：
V(t) = A(t) * sin (2 * π * f * t + Ф)
情報信号はベースバンド信号としても知られ、RF 信号よりもはるかにゆっくりと時間的に変化します。 したがって、変調の効果を見るには、以下に示すように、より長い時間スケールでRF信号のエンベロープを観察する必要があります。
この場合、A（t）信号は正弦波であります。 図は、RF信号の振幅が正弦波A(t)ベースバンド信号にどのように追随するかを示しています。
ベースバンド信号対時間によってRFキャリアの他の特性が変化、つまり変調されることを認識することによって、これを発展させることができます。 ベースバンド信号によって周波数が変調される場合、周波数変調（FM）が行われます。 同様に、位相が変調された場合は、位相変調（PM）となります。 したがって、
- A(t) は振幅を時間に対して変化させた場合
- f(t) は周波数を時間に対して変化させた場合
- Ф(t) は位相を時間に対して変化させた場合である。
変調の基本概念を念頭に置きながら、直交信号の概念に結びつけます…
直交信号の概念
2つの正弦波の位相差Фが90度（またはπ/2ラジアン）ならば、これら2つの信号は直交していると言われます。 この例として、正弦波と余弦波があります。
慣習的に、余弦波は同相成分で、正弦波は直交成分です。
直交信号を使って変調する
直交信号を足し合わせると面白いことが起こる
I=1、Q=0なら、単に余弦波（位相は0に等しい）でいいのですが、I=1、Q=0なら、直交信号（位相は0に等しい）です。 同様に、I=0、Q=1 の場合、90 度シフトした信号である正弦波が得られます。
I と Q が両方とも 1 に等しい場合、合計は以下のグラフに示すような新しい信号になる。
ここまでで、直交信号の和の振幅と位相がIとQの値の関数であることがわかります。したがって、IとQの値を時間に対して変化させることにより、変調RF信号を作成することができます。 いくつかの例を見てみましょう。
Digital RF Modulation Examples
Q=0で、Iを時間と共に+1～-1の間で変化させると、BPSK（Binary Phase Shift Keyed RF signal）が作成されます：
I（t）信号は単純なデジタルビットストリームでよいでしょう。 その信号で RF サインソイドのゲインを +1 と -1 の間で制御させると、BPSK 信号が作成されます。
さらに一歩進んで…2 つのデジタル ビットを使用して、I と Q の値を +1 と -1 の間で時間的に制御すると、結果として得られる直交信号の合計は、4 つの異なる位相のいずれかになります。
- I=+1 & Q=+1 45度位相
- I=-1 & Q=+1 135度位相
- I=-1 & Q=-となる。1は225度位相
- I=+1 & Q=-1は315度位相
これはQPSK（Quadrature Phase Shift Keying modulation）として知られています。 これらは直交振幅変調(QAM)の2つの例です。 QAMのさまざまな変調状態は、しばしばコンスタレーション・ダイアグラムで示されます。 原点からのベクトルの長さが信号の大きさを表し、ベクトルが横軸となす角が位相を表します。 上述したQPSK信号の4つの「状態」は、図中の4つの「＋」記号で示されています。 また、横軸に「I」、縦軸に「Q」とありますが、これは信号に関連するI成分とQ成分の値を表しているからです。
16QAMのようなより複雑なQAM変調は、単純に状態が多くなります。 16QAMでは、IとQの値はそれぞれ4つの離散値のいずれかを持つことができ、その結果、16通りの組み合わせが可能になります。 この結果、RF 信号の振幅と位相の組み合わせは 16通りとなります。
Quadrature Signals Everywhere
時間とともに変化する I および Q 信号を使用して変調 RF 信号を作成することは、デジタル ベースバンド信号に制限されません。 実際、QPSK や nQAM など、ほとんどの「デジタル」変調 RF アプリケーションでは、ベースバンド信号がフィルタリングされて、遷移が遅くなります。 これは、変調されたRF信号の帯域幅を制限するために行われます(高速のデジタル立ち上がり/立ち下がり時間は、多くの帯域幅を占めます!)。 フィルタリングされたデジタル信号は、実質的にアナログ信号なのです。
ここから得られる一般的な結論は、適切な I(t) および Q(t) ベースバンド信号により、あらゆるタイプの変調を施した RF 信号を作成できることです (これにより、一緒に合計されるコサイン波とサイン波の振幅が変化します)。 RF 信号と LO (局部発振器) 信号を直交させて、I (t) と Q (t) のベースバンド信号を作成することができます。
これは、ほとんどの現代の RF 信号生成と変調、および復調とベクトル信号解析の基本的な基礎です。
Software Defined Radio (SDR) システムでは、ベースバンド I & Q 信号が離散時間サンプリング データとして表されることが多いため、これらの概念を広範に使用しています。 したがって、デジタル信号処理 (DSP) を使用して、フィルタリング、変調および復調、AGC などの送受信特性を文字通り定義することができます。 SDR レシーバーは、多くの場合、数百 kHz 以上のベースバンド帯域幅を備えており、「ワイド」バンドスコープやスペクトログラム機能などさまざまな機能を実行でき、異なるタイプの複数の信号を同時に監視および復調することが可能です。 多くのベクトル信号発生器は、一般に、独自のIQ信号を接続できるパネルジャックを備えています。
最新のベクトル信号アナライザは、通常25、40、110MHz以上の帯域幅を備えています。 このような場合、信号のI成分とQ成分に変換します。 すべての分析(時間に対するスペクトル分析、復調、パルス分析など)は、同じIQデータに対して異なる数学的処理を行うだけです。 テクトロニクス社のRSA5000シリーズやRSA6000シリーズなどのリアルタイム・シグナル・アナライザは、「ライブ」IQデータ・ストリームを取り込み、そのデータに対してリアルタイム処理を実行する追加機能を持っています。 これにより、RF信号のライブ・スペクトルを可視化したり、周波数領域でしか見えない過渡事象をトリガするなどの機能が追加されます。