Adakah yang bisa menjelaskan apa arti IQ (quadrature) dalam hal SDR?

31

Ini sedikit pertanyaan mendasar, tetapi saya mengalami kesulitan memahami mengapa sinyal perlu dipecah menjadi komponen I dan Q agar berguna untuk radio yang ditentukan perangkat lunak (SDR).

Saya mengerti bahwa komponen I dan Q adalah sinyal yang sama, hanya 90 derajat dari fase, tetapi saya tidak mengerti mengapa ini penting. Mengapa Anda tidak bisa mendigitalkan satu sinyal saja? Mengapa Anda membutuhkan sinyal yang tampaknya identik yang berada di luar fase 90 derajat? Dan jika Anda memang membutuhkan sinyal kedua ini, mengapa Anda tidak dapat membuatnya sendiri (mis. Dalam perangkat lunak) dengan hanya menunda sinyal pertama?

Yang bisa saya mengerti adalah bahwa diperlukan untuk beberapa alasan untuk melakukan demodulasi gaya FM dalam perangkat lunak, tetapi saya tidak dapat menemukan apa pun di mana pun untuk menjelaskan apa yang dibutuhkan, dan mengapa demodulasi ini tidak dimungkinkan tanpa komponen I dan Q.

Adakah yang bisa menjelaskan ini? Wikipedia tidak terlalu membantu, dengan setiap halaman memiliki tautan sebagai pengganti penjelasan, dan setiap tautan menunjuk ke yang berikutnya dalam satu lingkaran tanpa akhir.

demodulation software-defined-radio quadrature

— Malvine
sumber

22

Komponen I dan Q bukanlah sinyal yang sama; mereka adalah sampel dari sinyal yang sama yang diambil 90 derajat dari fase, dan mereka berisi informasi yang berbeda. Ini perbedaan yang halus, tetapi penting.

Memisahkan I dan Q dengan cara ini memungkinkan Anda untuk mengukur fase relatif komponen sinyal. Ini penting tidak hanya untuk demodulasi FM (dan PM), tetapi juga untuk situasi lain di mana Anda perlu membedakan konten sideband atas dan bawah dari pembawa (misalnya, SSB).

Setiap kali konversi frekuensi (heterodyning) terjadi dalam SDR (terutama di ujung depan analog), komponen I dan Q ditangani secara berbeda. Dua salinan osilator lokal dihasilkan, satu 90 derajat tertunda sehubungan dengan yang lain, dan ini secara terpisah dicampur dengan I dan Q. Ini menjaga hubungan fase melalui konversi.

EDIT:

Semua ini benar-benar berarti bahwa Anda mengambil sampel sinyal pada tingkat yang cukup tinggi untuk menangkap semua informasi sideband di kedua sisi operator. I dan Q benar-benar hanya konvensi notasi yang membuat matematika bekerja sedikit lebih bersih. Ini menjadi paling relevan jika Anda akhirnya melakukan heterodyning sinyal langsung ke baseband (deteksi sinkron). Jika Anda tidak mempertahankan I dan Q, kedua sideband dilipat satu sama lain (suatu bentuk aliasing) dan Anda tidak lagi dapat men-decode sinyal FM, PM atau QAM.

— Dave Tweed
sumber

3

Terima kasih atas penjelasannya, tapi saya masih sedikit tidak jelas. Bagaimana Anda "mencicipi sinyal 90 derajat di luar fase"? Apakah maksud Anda sampel kedua diambil, ditunda beberapa waktu? Bagaimana memiliki I dan Q memungkinkan Anda untuk mengukur fase relatif, dibandingkan dengan melihat beberapa sampel sebelumnya untuk melihat ke arah mana gelombang akan bergerak? Apa yang Anda maksud dengan "menjaga hubungan fase melalui konversi"? Apa yang terjadi jika hubungan fase tidak dipertahankan? Dan apakah heterodyning sinyal tunggal menyebabkan ini?

— Malvineous

Lihat hasil edit saya. Semoga ini menjawab beberapa pertanyaan tambahan Anda.

— Dave Tweed

Terima kasih! Sayangnya masih ada sedikit melambaikan tangan terjadi :-) Jadi maksud Anda jika Anda 'heterodyne' di sisi perangkat lunak, untuk meletakkan sinyal target Anda di baseband, di situlah Anda membutuhkan I dan Q? Mengapa sideband terlipat? Apakah karena satu sideband akhirnya digeser ke frekuensi negatif, yang kemudian muncul sebagai frekuensi positif dengan pergeseran fasa, membatalkan sideband yang lain? Mungkin ini menjelaskan mengapa saya membaca hal-hal tentang sinyal I dan Q kadang-kadang memiliki komponen imajiner.

— Malvineous

Ya, itu cukup singkat.

— Dave Tweed

1

"Dua salinan osilator lokal dihasilkan, satu 90 derajat tertunda sehubungan dengan yang lain, dan ini secara terpisah dicampur dengan I dan Q. Ini menjaga hubungan fase melalui konversi." Dua salinan tidak dicampur dengan I dan Q, tetapi dengan sinyal input. Dua sinyal yang dihasilkan setelah pencampuran adalah In-phase dan Quadrature (dicampur dengan sinyal referensi bergeser 90 derajat). Dengan menggunakan mereka, amplitudo dan fase dapat ditemukan:

A = I^{2} + Q^{2} ϕ = a r c t a n (\frac{Q}{I})

$A=I^{2}+Q^{2} \\ \phi=arctan\left ( \frac{Q}{I} \right )$

— Ignas St.

9

Ini berkaitan dengan laju pengambilan sampel, dan bagaimana jam pengambilan sampel (osilator lokal atau LO) berhubungan dengan frekuensi sinyal yang diinginkan.

Tingkat ~~frekuensi~~ Nyquist adalah dua kali frekuensi tertinggi (atau bandwidth) dalam spektrum sampel (untuk mencegah alias) sinyal-sinyal pita dasar. Namun dalam praktiknya, diberikan sinyal panjang terbatas, dan dengan demikian sinyal bandlimited sempurna non-matematis (serta kebutuhan potensial untuk filter non-bata-dinding yang dapat diimplementasikan secara fisik), frekuensi pengambilan sampel untuk DSP harus lebih tinggi dari dua kali frekuensi sinyal tertinggi . Jadi menggandakan jumlah sampel dengan menggandakan laju sampel (2X LO) masih akan terlalu rendah. Menggandakan laju sampel (4X LO) akan menempatkan Anda dengan baik di atas laju Nyquist, tetapi menggunakan laju sampel frekuensi yang jauh lebih tinggi akan lebih mahal dalam hal komponen sirkuit, kinerja ADC, kecepatan data DSP, diperlukan megaflop, dan lain-lain.

Jadi IQ sampling sering dilakukan dengan osilator lokal di (atau relatif dekat) dengan frekuensi yang sama dengan sinyal atau frekuensi band yang menarik, yang jelas cara terlalu rendah frekuensi sampling (untuk sinyal baseband) sesuai dengan Nyquist. Satu sampel per siklus gelombang sinus dapat semuanya di persimpangan nol, atau semua di puncak, atau di titik mana pun di antaranya. Anda hampir tidak akan belajar tentang sinyal sinusoidal yang menjadi sampel. Tapi mari kita sebut ini, dengan sendirinya hampir tidak berguna, set sampel I dari set sampel IQ.

Tetapi bagaimana dengan meningkatkan jumlah sampel, tidak hanya dengan menggandakan laju sampel, tetapi dengan mengambil sampel tambahan sedikit setelah yang pertama setiap siklus. Dua sampel per siklus sedikit terpisah akan memungkinkan satu untuk memperkirakan kemiringan atau turunannya. Jika satu sampel berada pada persimpangan nol sampel tambahan tidak akan. Jadi, Anda akan jauh lebih baik dalam mencari tahu sinyal yang disampel. Dua poin, ditambah pengetahuan bahwa sinyal bunga kira-kira periodik pada laju sampel (karena pembatasan pita) biasanya cukup untuk mulai memperkirakan tidak diketahui dari persamaan sinewave kanonik (amplitudo dan fase).

Tetapi jika Anda pergi terlalu jauh dengan sampel kedua, untuk setengah di antara set sampel pertama, Anda berakhir dengan masalah yang sama dengan pengambilan sampel 2X (satu sampel bisa pada nol persimpangan positif, yang lain pada negatif, memberi tahu Anda tidak ada). Ini masalah yang sama dengan 2X karena laju sampel terlalu rendah.

Tapi di suatu tempat antara dua sampel set pertama (set "I") ada sweet spot. Tidak mubazir, seperti halnya pengambilan sampel pada saat yang sama, dan tidak merata (yang setara dengan menggandakan laju sampel), ada offset yang memberi Anda informasi maksimum tentang sinyal, dengan biaya penundaan yang akurat untuk sampel tambahan sebagai gantinya dari tingkat sampel yang jauh lebih tinggi. Ternyata penundaan itu 90 derajat. Itu memberi Anda set sampel "Q" yang sangat berguna, yang bersama-sama dengan set "I", memberi tahu Anda lebih banyak tentang sinyal daripada keduanya saja. Mungkin cukup untuk mendemodulasi AM, FM, SSB, QAM, dll., Sementara pengambilan sampel kompleks atau IQ pada frekuensi pembawa, atau sangat dekat, daripada pada jauh lebih tinggi dari 2X.

Ditambahkan:

Offset 90 derajat yang tepat untuk set sampel kedua juga sesuai dengan setengah dari vektor basis komponen dalam DFT. Seperangkat penuh diperlukan untuk sepenuhnya mewakili data non-simetris. Algoritma FFT yang lebih efisien sangat umum digunakan untuk melakukan banyak pemrosesan sinyal. Format pengambilan sampel non-IQ lainnya mungkin memerlukan pra-pemrosesan data (misalnya menyesuaikan untuk setiap ketidakseimbangan IQ dalam fase atau keuntungan), atau penggunaan FFT yang lebih lama, sehingga berpotensi menjadi kurang efisien untuk beberapa penyaringan atau demodulasi yang biasa dilakukan pada umumnya Pemrosesan SDR data IF.

Ditambahkan:

Juga perhatikan bahwa bandwidth air terjun dari sinyal IQ SDR, yang mungkin tampak pita lebar, biasanya sedikit lebih sempit daripada IQ atau laju sampel kompleks, meskipun frekuensi pusat pra-kompleks-heterodin mungkin jauh lebih tinggi daripada laju sampel IQ . Jadi laju komponen (2 komponen per satu kompleks atau sampel IQ), yang dua kali lipat dari tarif IQ, berakhir lebih tinggi dari dua kali bandwidth yang diminati, sehingga sesuai dengan pengambilan sampel Nyquist.

Ditambahkan:

Anda tidak dapat membuat sendiri sinyal quadrature kedua dengan hanya menunda input, karena Anda mencari perubahan antara sinyal dan sinyal 90 derajat kemudian. Dan tidak akan melihat perubahan apa pun jika Anda menggunakan dua nilai yang sama. Hanya jika Anda mencicipi pada dua waktu yang berbeda, sedikit offset.

— hotpaw2
sumber

Ini salah. Pengambilan sampel komponen tunggal pada tingkat 2x dan pengambilan sampel IQ melibatkan pengambilan sampel dalam jumlah yang sama, dan mampu mewakili bandwidth yang sama tanpa ambiguitas. Namun teknologi implementasi yang berbeda mungkin membuat satu pendekatan atau yang lainnya lebih menarik.

— Chris Stratton

Pernyataan pertama, tidak setuju (untuk semua tujuan praktis). Secara teoritis untuk sinyal bandwidth sempurna sempurna, mungkin. Secara praktis, tidak. Pengambilan sampel tingkat 2X jauh lebih sensitif terhadap kuantisasi (dan lainnya) noise dan jitter. Demikian pernyataan selanjutnya yang saya setujui.

— hotpaw2

Kesalahan Anda adalah berpikir bahwa di mana pengambilan sampel 2x tidak cukup, pengambilan sampel IQ 1x adalah. Tidak ada makan siang gratis.

— Chris Stratton

2

Jawaban ini luar biasa, sebenarnya, jauh lebih baik daripada jawaban yang dipilih. Saya membaca jawaban yang lebih disukai OP memilih dan tidak memiliki petunjuk yang lebih baik untuk MENGAPA ada kebutuhan untuk 2 sampel diambil 90 derajat terpisah. Namun, setelah membaca jawaban ini, jelas bagi saya bagaimana sampel ke-2 yang ditunda 90 derajat bermanfaat dan memungkinkan Anda untuk mendapatkan informasi lebih lanjut. Jawaban ini tidak layak untuk downvote, jadi saya berikan upvote di sini.

— Brian Onn

1

Jika kita dapat mempertimbangkan aplikasi pengambilan sampel IF dan undersampling (lazim di SDR), maka hal di atas akan terbaca lebih baik sebagai "Frekuensi pengambilan sampel untuk DSP harus lebih tinggi dari dua kali bandwidth sinyal tertinggi" (yang bukan hal yang sama dengan yang tertinggi frekuensi sinyal).

— Dan Boschen

8

Ini benar-benar topik sederhana yang hampir tidak ada yang menjelaskan dengan baik. Bagi siapa pun yang berjuang untuk memahami ini, tonton video W2AEW, http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . Hanya dalam 16 menit ia beralih dari sup menjadi kacang, bahkan memberikan demo dengan osiloskop dan sirkuit yang dibuatnya.

— Benjamin
sumber

Wow itu benar-benar video yang sangat informatif. Sayangnya dia kebanyakan berfokus pada modulasi, sementara pertanyaan saya terutama tentang demodulasi. Dia menyentuh ini pada akhirnya, dan tampaknya ada hubungannya dengan osilator lokal yang 90 derajat keluar dari fase. Mungkin suatu hari seseorang akan mencari cara untuk menjelaskan cara kerja bit itu! Saya masih tidak tahu bagaimana perangkat digital dapat mengambil sampel pada interval yang ditentukan dan namun itu entah bagaimana 90 derajat keluar dari fase untuk sinyal 1MHz dan sinyal 2MHz!

— Malvineous

2

Idan Qhanyalah cara yang berbeda untuk mewakili sinyal. Secara mental Anda menganggap sinyal sebagai gelombang sinus, baik dimodulasi sepanjang amplitudo, frekuensi, atau fase.

Gelombang sinus dapat direpresentasikan sebagai vektor. Jika Anda ingat vektor di kelas fisika, Anda cenderung bekerja dengan xdan ykomponen vektor itu (menambahkan x'sbersama dan y's). Itulah apa Idan Qpada dasarnya X(menjadi inphase - I) dan Y(Quadrature - Q).

Ketika Anda merepresentasikan gelombang sinus seperti vektor dan menyediakannya, Idan Qmungkin akan lebih mudah untuk memiliki perangkat lunak untuk melakukan matematika untuk mendemodulasi sinyal. Komputer Anda memiliki chip khusus - kartu grafis dan kartu suara adalah VECTORprosesor - dengan register tambahan untuk memegang xdan ykomponen untuk perhitungan cepat.

Inilah mengapa SDRkeinginan Idan Q. Idan Qmemungkinkan prosesor vektor di komputer Anda untuk melakukan demodulasi dengan cepat dan efisien.

— Joe A
sumber

@DanielGrillo - benar-benar tidak perlu secara surut menyoroti istilah sederhana di seluruh pos orang lain.

— Chris Stratton

@ChrisStratton Jawaban ini ada dalam daftar Ulasan Jawaban Akhir saya . Saya baru saja melakukan ini karena itu ada di sana. Saya hanya berusaha membantu.

— Daniel Grillo

Terima kasih atas jawabannya. Ini membantu menjelaskan bagaimana saya dan Q digunakan, tetapi tidak benar-benar seperti apa mereka, yang merupakan inti dari pertanyaan. Mengatakan mereka adalah komponen vektor hanya mendorong pertanyaan kembali ke mengapa mewakili sinyal dengan vektor dan apa yang akan ditunjukkan oleh salah satu vektor ini?

— Malvineous