Mengapa penerima SDR memancarkan sampel I / Q?

Untuk memahami receiver perangkat keras untuk aplikasi radio yang ditentukan oleh perangkat lunak pada dasarnya mengambil sinyal input, campur dengan frekuensi tuning untuk menghapus frekuensi pembawa dan kemudian sampel tegangan yang dihasilkan dengan laju sampling yang hanya cukup tinggi untuk bandwidth sinyal payload . Mereka memancarkan sampel tersebut ke perangkat lunak demodulasi dalam bentuk pasangan nilai I / Q. Saya berasumsi mereka memperoleh nilai Q dengan mengambil sampel siklus (sehubungan dengan frekuensi tuning) kemudian, secara efektif menggandakan laju sampel. $1/4$

Mengapa mereka menggunakan representasi I / Q?

Saya dapat melihat bagaimana I / Q adalah representasi yang bagus (dalam perangkat keras) ketika mensintesis sinyal karena Anda dapat misalnya melakukan modulasi frekuensi atau fase hanya dengan memvariasikan amplitudo, tetapi alasan ini tampaknya tidak berlaku untuk case penerima SDR.

Jadi, adakah yang diperoleh dengan menggunakan I / Q untuk output dan bukan saya pada laju sampling dua kali lipat? Atau itu hanya masalah konvensi?

modulation quadrature sdr

— AndreKR
sumber

@Gilles Saya memutar kembali hasil edit Anda. Itu benar-benar hanya satu pertanyaan yang diutarakan dalam berbagai cara untuk kejelasan, menata mereka sebagai enumerasi tidak masuk akal bagi saya.

— AndreKR

Saya menjawab pertanyaan serupa di sini: electronics.stackexchange.com/questions/39796/…

— hotpaw2

Jawaban:

SDR (atau sistem pemrosesan sinyal digital umum) mengambil sinyal RF yang diterima, dan mengalihkannya dari frekuensi pembawa ke baseband.

Sekarang, sinyal bandpass nyata dari antena tidak harus memiliki spektrum simetris di sekitar frekuensi pembawa, tetapi dapat sewenang-wenang. Jika downconverter sekarang menggeser spektrum ke frekuensi pusat, sinyal domain waktu yang sesuai menjadi kompleks. Jadi, sampel I dan Q yang Anda dapatkan dari SDR adalah bagian nyata dan imajineral dari sinyal pita dasar yang kompleks, yang sesuai dengan sinyal passband Anda yang sebenarnya di sekitar frekuensi pembawa.

Rincian lebih lanjut dapat ditemukan di situs wikipedia untuk konversi digital down .

Untuk menjawab pertanyaan Anda:

Representasi I / Q tidak sesuai dengan titik pengambilan sampel sinyal yang berbeda. Sebaliknya, itu sesuai dengan bagian nyata dan imajiner dari sinyal baseband digital yang bernilai kompleks. Bagian-bagian ini diperoleh dengan secara terpisah mengalikan sinyal RF dengan sinus dan cosinus dan pengambilan sampel kedua aliran setelah penyaringan low-pass.

Pengambilan sampel dengan frekuensi ganda dapat menghasilkan informasi yang sama dengan I / Q. Akan diperlukan untuk memasukkan sinyal ke untuk mendapatkan semua informasi yang berada di sinyal IQ baseband agar berada di sinyal passband di (di mana adalah laju sampling). $f_s/4$ $f_s/4$ $f_s$

— Maximilian Matthé
sumber

Jawaban yang bagus. Hanya untuk memperjelas, saya pikir Anda dapat menghasilkan informasi yang sama persis dengan pengambilan sampel dengan frekuensi ganda, jika Anda mengizinkan sinyal dalam IQ di baseband dengan laju pengambilan sampel ada di saat pengambilan sampel pada (dengan kata lain pada 1 / 4 dari laju sampling baru). Apa kamu setuju?

F_{s}

$F_s$

F_{s} / 2

$F_s/2$

2 F_{s}

$2F_s$

— Dan Boschen

@ DanBoschen Saya percaya Anda tidak mendapatkan informasi yang sama ketika Anda sampel dengan frekuensi ganda hanya dari satu aliran (misalnya dikalikan dengan sinus). Ini masih akan hanya menghasilkan sinyal baseband bernilai nyata dengan laju pengambilan sampel ganda, yang sesuai dengan bagian genap dari spektrum pita dasar. Namun, bagian yang aneh (yaitu sinyal pita dasar imajiner) tidak tersedia.

— Maximilian Matthé

Pertimbangkan bahwa Anda dapat memiliki spektrum yang sama persis di fs / 4 yang dapat Anda miliki di baseband (artinya bagian positif di atas fs / 4 tidak perlu cocok dengan bagian "negatif" yang dalam kasus ini akan di bawah fs / 4). Jika Anda memikirkannya, ini tidak berbeda dengan memiliki sinyal asli di antena (atau pembawa) yang mewakili sinyal IQ baseband di DC. Meskipun secara matematis saya belum berhasil membuktikannya, tetapi itu adalah pemikiran dan ingatan saya.

— Dan Boschen

Pertimbangkan contoh ini: Sinyal kompleks pada pita dasar yang ada di pita kurang dari +/- Fs / 2, disampel pada 2Fs. Kompleks dan spektrum positifnya dari DC ke Fs / 2 tidak sama dengan spektrum negatifnya dari -Fs / 2 ke DC (dan karena itu memerlukan dua sinyal nyata apakah itu I dan Q atau Magnitude dan Phase untuk mewakilinya). Sekarang putar spektrum itu dengan mengalikannya dengan . di mana n adalah jumlah sampel. Hasilnya akan menggeser spektrum ke + Fs / 4, tanpa spektrum di setengah negatif, tetapi tidak ada perubahan lainnya. Sekarang ambil bagian yang sebenarnya.

e^{j n w π / 2}

$e^{jnw \pi/2}$

— Dan Boschen

Dengan mengambil bagian nyata dari sinyal kompleks yang dijelaskan di atas, gambar negatif akan muncul (Complex conjugate) dan sinyal asli akan diskalakan tetapi tidak berubah. Terlepas dari faktor penskalaan, sinyal pada fs / 4 identik dengan sinyal pita dasar yang kami mulai; semua informasi utuh! (Sama seperti ketika kita memindahkan sinyal ke frekuensi pembawa yang juga nyata). Apakah Anda melihat kesalahan dalam pemikiran saya? (Saya juga TIDAK menyiratkan menggunakan "sama" saya sebagai hanya dua kali laju sampling, tetapi berarti hanya menggunakan saya yang merupakan aliran data bernilai nyata tunggal).

— Dan Boschen

Mungkin ada beberapa alasan.

Pemrosesan komputer:

Salah satu alasan untuk menggunakan data IQ untuk pemrosesan SDR adalah untuk menurunkan tingkat pemrosesan komputasi (menggunakan prosesor yang lebih lambat atau lebih rendah daya) untuk visualisasi (panadapter) atau demodulasi tanpa langkah konversi tambahan. Banyak skema modulasi memiliki sideband asimetris. Sinyal IQ dapat membawa informasi yang tidak jelas tentang kedua sideband di sekitar DC (0 Hz) ( lihat penjelasan di sini), yang berarti laju pemrosesan bisa sangat dekat dengan DC (0 Hz + lebar pita sinyal + margin keselamatan transisi penyaringan), yang bertentangan dengan frekuensi pembawa di atas dua kali lipat (ditambah bandwidth sinyal, pita transisi filter, dan lain-lain). Bahkan, beberapa modul SDR (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3, dll.) Menghasilkan data IQ menjadi antarmuka audio stereo PC (sehingga memungkinkan pemrosesan pada tingkat data audio yang sangat rendah dibandingkan dengan VHF / HF RF carrier yang jauh lebih tinggi atau HF / LF IF frekuensi).

Perangkat Keras Radio:

Untuk melakukan pemrosesan dengan aliran data saluran tunggal memerlukan tingkat pemrosesan yang sangat tinggi (di atas 2X pembawa RF, menggunakan FPGA, dll.), Atau beberapa cara untuk menghilangkan gambar atau aliasing sebelum downsampling / konversi rendah, biasanya dengan tambahan konversi atau langkah pencampuran (atau lebih) ke frekuensi IF, ditambah satu atau lebih filter anti-aliasing terkait untuk penolakan gambar. Dengan demikian, aliran data nyata tunggal tingkat 2X biasanya memerlukan tahap IF tambahan (dan / atau filter bandpass frekuensi tinggi yang sangat sempit, seringkali kristal atau SAW) untuk melakukan ini dibandingkan dengan menghasilkan aliran data IQ tingkat 1X. Tahap IF tambahan biasanya membutuhkan osilator dan mixer tambahan juga. Sedangkan konversi langsung ke data IQ dapat dilakukan tanpa perlu band-pass frekuensi tinggi atau filter atap untuk penolakan gambar.

Osilator konversi turun dapat dipusatkan (atau hampir demikian) pada pembawa sinyal yang menarik (baik RF atau IF), atau kelipatan rendah, daripada offset atau jauh lebih tinggi. Ini dapat membuat pelacakan, penguncian fase, atau sinkronisasi osilator ini lebih sederhana, dan dengan demikian memungkinkan pembacaan frekuensi dan / atau generasi sinyal pemancar transceiver menjadi lebih sederhana dalam perangkat keras radio minimal.

Perangkat keras konversi:

Dalam perangkat keras, mungkin lebih mudah atau lebih murah untuk mengimplementasikan 2 ADC pada laju sampel yang lebih rendah, daripada 1 ADC pada laju sampel yang lebih tinggi. Misalnya, Anda dapat menggunakan kartu suara stereo dengan laju sampel 44.1k (atau 192k), daripada kartu suara yang lebih mahal dengan laju sampel 96k (atau 384k), untuk kemampuan bandwidth sinyal yang hampir sama.

Ukuran papan tulis:

Aliran sampel IQ (dibuat oleh dua saluran pencampuran bergeser 90 derajat dan / atau pengambilan sampel) juga berhubungan erat dengan sinyal kompleks matematika (dengan komponen nyata dan imajiner), yang membuatnya lebih mudah untuk menganggap dua saluran data nyata sebagai satu saluran dari representasi matematika yang kompleks. Hal ini membuat algoritma matematika tertentu (DFT / FFT, demodulasi amplop kompleks, dll.) Lebih langsung berlaku (dan, seperti yang disebutkan di atas, pada tingkat pemrosesan baseband) dengan operasi matematika tambahan yang lebih sedikit (offset atau fftshifts, dll.)

Penjelasan atau deskripsi algoritma DSP ini menggunakan matematika kompleks biasanya membutuhkan lebih sedikit tulisan di papan tulis kelas daripada penjelasan setara menggunakan representasi tingkat sampel yang lebih tinggi non-kompleks (serta jauh lebih elegan dalam pendapat banyak orang.) Ini kompleks sederhana / Penjelasan IQ kadang-kadang secara langsung diterjemahkan menjadi lebih sedikit kode (tergantung pada bahasa komputer HLL pada tipe data yang didukung), atau blok komputasi yang lebih sedikit (menggunakan alat desain jalur sinyal grafis) adalah aplikasi SDR.

Pengorbanan:

Kelemahannya, tentu saja, adalah kebutuhan untuk pembuatan pergeseran fasa 90 derajat yang akurat, 2 ADC alih-alih satu, dan multiplikasi kompleks (pengganda 4X perangkat keras atau OP instruksi) alih-alih multiplikasi tunggal per sampel (nyata atau IQ), untuk operasi yang serupa .

— hotpaw2
sumber

Untuk memperjelas, generasi quad sering tidak dilakukan dalam analog, sehingga akan menghilangkan banyak kelemahan Anda. SDR masih dapat "memancarkan" sebagai poster yang mengatakan sampel IQ untuk perangkat lunak demodulasi lebih lanjut tanpa harus melakukan pengambilan sampel yang kompleks. Penjelasan Anda lainnya sangat bagus, termasuk poin tentang representasi yang jauh lebih elegan. Saya telah menyatakan ketika menjelaskan hal ini kepada insinyur perangkat keras bahwa "diperlukan dua probe lingkup untuk memantau sinyal yang kompleks!", Yang berarti sederhana dan elegan untuk menggambarkan sistem menggunakan eksponensial tetapi kemudian kita membutuhkan I dan Q untuk mengimplementasikannya.

— Dan Boschen

Bisakah encoder menggeser dua sinyal baseband di quadrature, dan kemudian memisahkannya, memberikan efek stereo pada sinyal payload, baseband, katakan kiri dan kanan?

— Johanthan Edwards
sumber