Sygnały kwadraturowe, zwane również sygnałami IQ, danymi IQ lub próbkami IQ, są często używane w aplikacjach RF. Stanowią one podstawę złożonej modulacji i demodulacji sygnału RF, zarówno w sprzęcie jak i w oprogramowaniu, a także w złożonej analizie sygnału. Ten post patrzy na koncepcję sygnałów IQ i jak są one used.
Para sygnałów okresowych mówi się, że są w „kwadraturze”, gdy różnią się w fazie o 90 stopni. Sygnał „w fazie” lub sygnał odniesienia jest określany jako „I,” a sygnał, który jest przesunięty o 90 stopni (sygnał w kwadraturze) jest nazywany „Q.” Co to oznacza i dlaczego nas to obchodzi? Rozbijmy to zaczynając od podstaw.
Podstawy modulacji RF
Zacznę od przeglądu prostej modulacji RF. Niemodulowana częstotliwość nośna RF jest po prostu sinusoidą, jak pokazano poniżej.
Sygnał może być opisany jako funkcja czasu przez następujące równanie:
V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф)
gdzie:
A: jest szczytową amplitudą
f: jest częstotliwością
t: jest czasem
Ф: jest przesunięciem fazowym
Informacja jest „przenoszona” przez nośną RF poprzez proces modulacji. Sygnał informacyjny (głos, dane, itp.) jest używany do zmiany właściwości sygnału RF. Prostym przykładem jest Modulacja Amplitudy, lub AM.
W przypadku AM, sygnał informacyjny jest używany do zmiany, lub modulacji amplitudy nośnej. Matematycznie, może to być przedstawione przez zmianę stałej „A” w poprzednim równaniu na pewien zmienny w czasie sygnał (sygnał informacyjny):
V(t) = A(t) * sin (2 * π * f * t + Ф)
Sygnał informacyjny, znany również jako sygnał pasma podstawowego, zmienia się znacznie wolniej w czasie niż sygnał RF. Dlatego, aby zobaczyć efekt modulacji, należy obserwować obwiednię sygnału RF w dłuższej skali czasowej, jak pokazano poniżej.
W tym przypadku sygnał A(t) jest sinusoidą. Rysunek pokazuje, jak amplituda sygnału RF podąża za sinusoidalnym sygnałem pasma podstawowego A(t).
Możesz rozwinąć ten temat uznając, że inne właściwości nośnej RF mogą być zmieniane, lub modulowane, przez sygnał pasma podstawowego w funkcji czasu. Jeśli częstotliwość jest modulowana przez sygnał pasma podstawowego, masz Modulacja Częstotliwości (FM). Podobnie, jeśli faza jest modulowana to masz Modulację Fazy (PM). Tak więc:
- A(t) jest, gdy amplituda jest zmienna vs. czas
- f(t) jest, gdy częstotliwość jest zmienna vs. czas
- Ф(t) jest, gdy faza jest zmienna vs. czas.
Pamiętaj o podstawowej koncepcji modulacji, ponieważ wiążemy się z koncepcją sygnałów kwadraturowych…
Koncepcje sygnałów kwadraturowych
Jeśli różnica fazy Ф między dwiema sinusoidami wynosi 90 stopni (lub π /2 radianów), to mówi się, że te dwa sygnały są w kwadraturze. Przykładem tego jest sinusoida i kosinus.
Zgodnie z konwencją, kosinusoida jest składową in-fazową, a sinusoida składową kwadraturową. Duża litera I reprezentuje amplitudę sygnału w fazie, a duża litera Q reprezentuje amplitudę sygnału kwadraturowego.
Używanie sygnałów kwadraturowych do modulacji
Interesujące rzeczy dzieją się, gdy spojrzymy na dodawanie sygnałów kwadraturowych razem.
Jeśli I=1 i Q=0, wtedy mielibyśmy po prostu falę kosinusową (faza równa 0). Podobnie, jeśli I=0 i Q=1, miałbyś falę sinusoidalną, która jest sygnałem przesuniętym o 90 stopni.
Jeśli zarówno I jak i Q byłyby równe 1, wtedy suma będzie nowym sygnałem, który jest pokazany graficznie poniżej.
Zauważ, że dodanie tych dwóch sygnałów kwadraturowych o równej amplitudzie razem daje nową sinusoidę, która jest przesunięta w fazie o 45 stopni.
Już teraz widać, że amplituda i faza sumy sygnałów kwadraturowych jest funkcją wartości I i Q. Dlatego można tworzyć modulowane sygnały RF przez zmianę wartości I i Q w czasie. Przyjrzyjmy się kilku przykładom.
Przykłady modulacji cyfrowej RF
Jeśli Q=0, i I jest zmieniane pomiędzy +1 i -1 w czasie, tworzysz sygnał BPSK (Binary Phase Shift Keyed RF):
Sygnał I(t) może być prostym cyfrowym strumieniem bitów. Jeśli masz ten sygnał kontrolować wzmocnienie sinusoidy RF między +1 i -1, masz utworzony sygnał BPSK.
Postępując o krok dalej… Jeśli dwa bity cyfrowe są używane do kontrolowania wartości I i Q pomiędzy +1 i -1 w czasie, to wynikowa suma sygnałów kwadraturowych może być jedną z czterech różnych faz:
- I=+1 & Q=+1 daje w wyniku fazę 45 stopni
- I=-1 & Q=+1 daje w wyniku fazę 135 stopni
- I=-1 & Q=-.1 skutkuje fazą 225 stopni
- I=+1 & Q=-1 skutkuje fazą 315 stopni
To jest znane jako modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Są to dwa przykłady modulacji amplitudy kwadraturowej (QAM). Różne stany modulacji dla QAM są często pokazywane na diagramie konstelacji. Diagram konstelacji jest po prostu wykres fazorowy, który przedstawia amplitudę i fazę sygnału jako wykres biegunowy.
Długość wektora od początku reprezentuje wielkość sygnału, a kąt, który wektor tworzy z osią poziomą reprezentuje fazę. Cztery „stany” dla sygnału QPSK opisanego powyżej są pokazane jako cztery symbole „+” na wykresie. Zauważ również, że oś pozioma jest oznaczona jako „I”, a oś pionowa jako „Q” – ponieważ reprezentują one wartości składowych I i Q związanych z sygnałem.
Bardziej złożone modulacje QAM, takie jak 16QAM, mają po prostu więcej stanów. Dla 16QAM, I i Q wartości każdy może mieć jedną z czterech dyskretnych wartości, co daje 16 możliwych kombinacji. Powoduje to 16 kombinacji amplitudy i fazy dla sygnału RF.
Quadrature Signals Everywhere
Używanie sygnałów I i Q, które zmieniają się w czasie, aby utworzyć modulowane sygnały RF nie jest ograniczone do cyfrowych sygnałów baseband. I (t) i Q (t) sygnały pasma podstawowego może być analogowe sygnały baseband too.In fact, w większości „cyfrowo” modulowane aplikacje RF jak QPSK lub nQAM, sygnały pasma podstawowego są filtrowane, aby spowolnić przejścia. Odbywa się to w celu ograniczenia wynikowej szerokości pasma modulowanego sygnału RF (szybkie cyfrowe czasy narastania / upadku zajmują dużo pasma!). Te przefiltrowane sygnały cyfrowe są skutecznie sygnały analogowe! Tak więc, w bardziej ogólnym sensie, proces modulacji kwadraturowej może być zilustrowany jak pokazano na tym rysunku:
Ogólny wniosek jaki można z tego wyciągnąć jest taki, że sygnał RF z dowolnym typem modulacji może być utworzony z odpowiednimi sygnałami pasma podstawowego I(t) i Q(t) (które z kolei zmieniają amplitudy fal kosinusowych i sinusoidalnych, które są sumowane razem).
Oczywiście, ten sam proces działa w odwrotnym kierunku do demodulacji sygnału RF. Przez mieszanie sygnału RF z sygnałami LO (lokalnego oscylatora) w kwadraturze, I(t) i Q(t) sygnały pasma podstawowego mogą być tworzone.
Jest to fundamentalna podstawa dla większości nowoczesnych generacji i modulacji sygnałów RF, jak również demodulacji i analizy sygnałów wektorowych.
Software Defined Radio (SDR) systemy wykorzystują te koncepcje szeroko, ponieważ sygnały baseband I & Q są często reprezentowane jako dyskretne dane próbkowane w czasie. Dlatego, cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP) może być używany do dosłownie zdefiniować nadajnik i odbiornik charakterystyki, w tym filtrowania, modulacji i demodulacji, AGC, itp. Odbiorniki SDR często charakteryzują się szerokością pasma podstawowego wynoszącą kilkaset kHz lub więcej, co daje możliwość wykonywania szerokiej gamy funkcji, w tym funkcji „szerokiego” bandscope i spektrogramu, jak również możliwość jednoczesnego monitorowania i demodulacji kilku sygnałów różnych typów jednocześnie.
Wektorowe Generatory Sygnałów posiadają modulator kwadraturowy, który akceptuje sygnały I(t) i Q(t), które następnie wykorzystuje do modulacji amplitudy pary sinusoid kwadraturowych, które są następnie sumowane w celu utworzenia zmodulowanego wyjścia RF. Wiele Wektorowe Generatory Sygnałowe zazwyczaj zawierają gniazda panelowe, gdzie można podłączyć własne sygnały IQ. Wiele z nich zawiera wewnętrzny generator fal arbitralnych (AWG) do tworzenia sygnałów IQ w paśmie podstawowym.
Nowoczesne wektorowe analizatory sygnałów mają zazwyczaj szerokość pasma 25, 40, 110MHz lub więcej. Przekształcają one przychodzące sygnały RF na ich składowe I i Q. Wszystkie analizy (analiza spektralna w czasie, demodulacja, analiza impulsów, itp.) są po prostu różne przetwarzania matematycznego na tych samych danych IQ. Analizatory sygnałów czasu rzeczywistego, takie jak Tektronix RSA5000 i RSA6000, mają dodatkową możliwość pobierania strumieni danych IQ „na żywo” i wykonywania na nich przetwarzania w czasie rzeczywistym. To dodaje możliwość robienia takich rzeczy jak wizualizacja widma sygnału RF na żywo, jak również możliwość wyzwalania na zdarzeniach przejściowych, które mogą być widoczne tylko w dziedzinie częstotliwości.
Zobacz najnowszą ofertę analizatorów widma firmy Tektronix.