Semnalele în cuadratură, numite și semnale IQ, date IQ sau eșantioane IQ, sunt adesea utilizate în aplicațiile RF. Ele stau la baza modulației și demodulării semnalelor RF complexe, atât în hardware cât și în software, precum și în analiza semnalelor complexe. Această postare analizează conceptul de semnale IQ și modul în care acestea sunt utilizate.
Se spune că o pereche de semnale periodice sunt în „cuadratură” atunci când diferă în fază cu 90 de grade. Semnalul „în fază” sau de referință este denumit „I”, iar semnalul care este decalat cu 90 de grade (semnalul în cuadratură) este denumit „Q”. Ce înseamnă acest lucru și de ce ne pasă? Să o descifrăm începând cu câteva noțiuni de bază.
Bazele modulației RF
Voi începe cu o trecere în revistă a modulației RF simple. O purtătoare RF nemodulată este pur și simplu o undă sinusoidală, așa cum se arată mai jos.
Semnalul poate fi descris ca o funcție de timp prin următoarea ecuație:
V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф)
unde:
A: este amplitudinea de vârf
f: este frecvența
t: este timpul
Ф: este defazajul
Informația este „transportată” de o purtătoare RF prin procesul de modulație. Semnalul informațional (voce, date, etc.) este utilizat pentru a modifica proprietățile semnalului RF. Un exemplu simplu este modulația de amplitudine, sau AM.
Pentru AM, semnalul de informație este utilizat pentru a modifica sau modula amplitudinea purtătoarei. Din punct de vedere matematic, aceasta poate fi reprezentată prin schimbarea constantei „A” din ecuația anterioară într-un semnal care variază în timp (semnalul de informație):
V(t) = A(t) * sin (2 * π * f * t + Ф)
Semnalul de informație, cunoscut și sub numele de semnal de bandă de bază, variază mult mai lent în timp decât semnalul RF. Prin urmare, pentru a vedea efectul modulației, trebuie să observați anvelopa semnalului RF pe o scară de timp mai lungă, așa cum se arată mai jos.
În acest caz, semnalul A(t) este o sinusoidă. Figura arată cum amplitudinea semnalului RF urmează semnalul sinusoidal A(t) în bandă de bază.
Puteți extinde acest lucru recunoscând că alte proprietăți ale purtătoarei RF pot fi modificate, sau modulate, de un semnal în bandă de bază în funcție de timp. Dacă frecvența este modulată de un semnal în bandă de bază, aveți modulația de frecvență (FM). În mod similar, dacă faza este modulată, veți avea Modulația de fază (PM). Astfel:
- A(t) este atunci când amplitudinea este variată în funcție de timp
- f(t) este atunci când frecvența este variată în funcție de timp
- Ф(t) este atunci când faza este variată în funcție de timp.
Rețineți conceptul de bază al modulației pe măsură ce legăm conceptul de semnale în cuadratură…
Concepte privind semnalele în cuadratură
Dacă diferența de fază Ф dintre două sinusoide este de 90 de grade (sau π /2 radiani), atunci se spune că aceste două semnale sunt în cuadratură. Un exemplu în acest sens este unda sinusoidală și unda cosinusoidală.
Prin convenție, unda cosinusoidală este componenta în fază, iar unda sinusoidală este componenta în cuadratură. Litera majusculă I reprezintă amplitudinea semnalului în fază, iar litera majusculă Q reprezintă amplitudinea semnalului în cuadratură.
Utilizarea semnalelor în cuadratură pentru a modula
Se întâmplă lucruri interesante atunci când vă uitați la adunarea semnalelor în cuadratură.
Dacă I=1 și Q=0, atunci veți avea pur și simplu unda cosinusoidală (faza egală cu 0). În mod similar, dacă I=0 și Q=1, veți avea unda sinusoidală, care este semnalul decalat cu 90 de grade.
Dacă atât I cât și Q ar fi egale cu 1, atunci suma va fi un nou semnal care este prezentat grafic mai jos.
Rețineți că adunarea acestor două semnale în cuadratură de amplitudine egală are ca rezultat o nouă sinusoidă care este defazată cu 45 de grade.
Până acum puteți vedea că amplitudinea și faza sumei semnalelor în cuadratură este o funcție de valoarea lui I și Q. Prin urmare, puteți crea semnale RF modulate prin variația valorilor I și Q în funcție de timp. Să ne uităm la câteva exemple.
Exemple de modulație RF digitală
Dacă Q=0, iar I este modificat între +1 și -1 în timp, creați un semnal RF Binary Phase Shift Keyed Keyed (BPSK):
Semnalul I(t) ar putea fi un simplu flux de biți digitali. Dacă faceți ca acest semnal să controleze câștigul sinusoidei RF între +1 și -1, ați creat un semnal BPSK.
Făcând un pas mai departe… Dacă se folosesc doi biți digitali pentru a controla valorile I și Q între +1 și -1 în timp, atunci suma rezultată a semnalelor în cuadratură poate fi una dintre cele patru faze distincte:
- I=+1 & Q=+1 rezultă o fază de 45 de grade
- I=-1 & Q=+1 rezultă o fază de 135 de grade
- I=-1 & Q=-1 are ca rezultat o fază de 225 de grade
- I=+1 & Q=-1 are ca rezultat o fază de 315 grade
Aceasta este cunoscută sub numele de modulație cu deplasare de fază în cuadratură (QPSK). Acestea sunt două exemple de modulație de amplitudine în cuadratură (QAM). Diferitele stări de modulație pentru QAM sunt adesea prezentate pe o diagramă de constelație. O diagramă de constelație este pur și simplu o diagramă fazorială care descrie amplitudinea și faza unui semnal sub forma unei diagrame polare.
Lungimea vectorului de la origine reprezintă magnitudinea semnalului, iar unghiul pe care vectorul îl formează cu axa orizontală reprezintă faza. Cele patru „stări” pentru semnalul QPSK descris mai sus sunt reprezentate de cele patru simboluri „+” din diagramă. Veți observa, de asemenea, că axa orizontală este etichetată „I”, iar axa verticală este etichetată „Q” – deoarece acestea reprezintă valorile componentelor I și Q asociate cu semnalul.
Modulațiile QAM mai complexe, cum ar fi 16QAM, au pur și simplu mai multe stări. Pentru 16QAM, valorile I și Q pot avea fiecare una dintre cele patru valori discrete, rezultând 16 combinații posibile. Acest lucru are ca rezultat 16 combinații de amplitudine și fază pentru semnalul RF.
Semnale în cuadratură peste tot
Utilizarea semnalelor I și Q care variază în timp pentru a crea semnale RF modulate nu este limitată la semnalele digitale în bandă de bază. Semnalele de bandă de bază I(t) și Q(t) pot fi, de asemenea, semnale analogice de bandă de bază. de fapt, în majoritatea aplicațiilor RF modulate „digital”, cum ar fi QPSK sau nQAM, semnalele de bandă de bază sunt filtrate pentru a încetini tranzițiile. Acest lucru se face pentru a limita lățimea de bandă rezultată a semnalului RF modulat (timpii digitali rapizi de creștere/coborâre ocupă multă lățime de bandă!). Aceste semnale digitale filtrate sunt, de fapt, semnale analogice! Deci, într-un sens mai general, procesul de modulare în cvadratură poate fi ilustrat așa cum se arată în această figură:
Concluzia generală pe care o puteți trage de aici este că un semnal RF cu orice tip de modulație poate fi creat cu semnalele de bandă de bază I(t) și Q(t) adecvate (care la rândul lor variază amplitudinile undelor cosinusoidale și sinusoidale care sunt însumate împreună).
Desigur, același proces funcționează în sens invers pentru demodularea unui semnal RF. Prin amestecarea unui semnal RF cu semnale LO (oscilator local) în cuadratură, pot fi create semnale în bandă de bază I(t) și Q(t).
Aceasta este baza fundamentală pentru majoritatea generării și modulației moderne de semnale RF, precum și pentru demodulare și analiza semnalelor vectoriale.
Sistemele radio definite prin software (SDR) utilizează aceste concepte în mod extensiv deoarece semnalele I & Q din banda de bază sunt adesea reprezentate ca date eșantionate în timp discret. Prin urmare, procesarea digitală a semnalelor (DSP) poate fi utilizată pentru a defini literalmente caracteristicile emițătorului și receptorului, inclusiv filtrarea, modularea și demodularea, AGC etc. Receptoarele SDR dispun adesea de o lățime de bandă de bază de câteva sute de kHz sau mai mult, ceea ce le oferă posibilitatea de a efectua o mare varietate de funcții, inclusiv funcții „largi” de vizualizare a benzilor și spectrograme, precum și posibilitatea de a monitoriza și demodula simultan mai multe semnale de diferite tipuri deodată.
Generatoarele de semnale vectoriale dispun de un modulator în cvadratură care acceptă semnalele I(t) și Q(t) pe care le utilizează apoi pentru a modula în amplitudine o pereche de sinusoizi în cvadratură care sunt apoi însumate pentru a crea ieșirea RF modulată. Multe generatoare de semnale vectoriale includ, în general, prize de panou unde puteți conecta propriile semnale IQ. Multe includ un generator de forme de undă arbitrare (AWG) intern în bandă de bază pentru a crea semnalele IQ în bandă de bază.
Analizoarele de semnale vectoriale moderne au de obicei lățimi de bandă de 25, 40, 110MHz sau mai mult. Acestea convertesc semnalele RF primite în componentele I și Q ale acestora. Toate analizele (analiza spectrală în funcție de timp, demodularea, analiza impulsurilor, etc.) sunt pur și simplu prelucrări matematice diferite pe aceleași date IQ. Analizoarele de semnal în timp real, cum ar fi seriile Tektronix RSA5000 și RSA6000, au capacitatea suplimentară de a prelua fluxurile de date IQ „live” și de a efectua procesarea în timp real a datelor. Acest lucru adaugă capacitatea de a face lucruri cum ar fi vizualizarea spectrului live al unui semnal RF, precum și posibilitatea de a declanșa evenimente tranzitorii care pot fi vizibile doar în domeniul de frecvență.
Vezi cele mai recente oferte de analizoare de spectru de la Tektronix.
.