Чи може хтось пояснити, що означає IQ (квадратура) з точки зору SDR?


31

Це трохи основне питання, але у мене виникають проблеми з розумінням того, чому сигнал потрібно розбити на компоненти I та Q, щоб бути корисним для програмно визначених радіо (SDR).

Я розумію, що компоненти I і Q - той самий сигнал, лише 90 градусів поза фазою, але я не розумію, чому це важливо. Чому ви не можете просто оцифрувати один сигнал? Навіщо вам потрібен, мабуть, однаковий сигнал, який закінчується на 90 градусів? І якщо вам потрібен цей другий сигнал, чому ви не можете створити його самостійно (наприклад, у програмному забезпеченні), просто затримавши перший сигнал?

Все, що я можу зрозуміти, це те, що це потрібно з певних причин зробити демодуляцію у стилі FM в програмному забезпеченні, але я ніде не можу знайти нічого, щоб пояснити, у чому потреба, і чому ця демодуляція неможлива без компонентів I і Q.

Хтось може пролити про це трохи світла? Вікіпедія не особливо корисна, оскільки кожна сторінка має посилання замість пояснення, а кожна посилання вказує на наступну у нескінченному циклі.

Відповіді:


22

Компоненти I і Q не є одним і тим же сигналом; вони є зразками одного сигналу, які виводяться на 90 градусів поза фазою, і вони містять різну інформацію. Це тонка, але важлива відмінність.

Поділ I і Q таким чином дозволяє виміряти відносну фазу компонентів сигналу. Це важливо не тільки для демодуляції FM (і PM), але і для будь-якої іншої ситуації, в якій потрібно розрізняти вміст верхньої та нижньої бічних смуг носія (наприклад, SSB).

Кожного разу, коли перетворення частоти (гетеродінінг) відбувається в SDR (особливо в аналоговому передньому кінці), компоненти I і Q обробляються по-різному. Створюються дві копії локального осцилятора, одна затримується на 90 градусів по відношенню до іншої, і вони окремо змішуються з I і Q. Це забезпечує збереження фазових співвідношень при перетворенні.

Редагувати:

Все це насправді означає, що ви відбираєте сигнал з достатньо високою швидкістю для захоплення всієї інформації про бічні смуги з обох сторін несучої. Я і Q насправді є лише умовною умовою, яка змушує математику працювати трохи більш чисто. Це стає найбільш актуальним, якщо ви закінчите гетеродінінг сигналу прямо до базової смуги (синхронне виявлення). Якщо ви не зберігаєте і I, і Q, обидві бічні смуги складаються один на одного (форма згладжування), і ви більше не можете декодувати сигнали FM, PM або QAM.


3
Дякую за пояснення, але я все ще трохи незрозумілий. Як ви "зразок сигналу на 90 градусів поза фазою"? Ви маєте на увазі взяття другого зразка, який затримується на деяку кількість часу? Як наявність I та Q дозволяє вимірювати відносну фазу, на відміну від перегляду кількох попередніх зразків, щоб побачити, в який бік йде хвиля? Що ви маєте на увазі під "збереженням фазових відносин шляхом перетворення"? Що станеться, якщо фазова залежність не збереглася? І чи викликає це гетеродінізація одного сигналу?
Malvineous

Дивіться мою редакцію. Сподіваємось, він відповідає на деякі ваші додаткові запитання.
Трейд Дейва

Спасибі! На жаль, все ще йде трохи рукомахань :-) Тож ти маєш на увазі, якщо ти "гетеродин" на стороні програмного забезпечення, щоб поставити цільовий сигнал на базову смугу, саме тут вам потрібно і я, і Q? Чому бічні смуги складаються? Це тому, що одна бічна смуга в кінцевому підсумку зміщується на негативну частоту, яка потім з'являється як позитивна частота з фазовим зсувом, скасовуючи іншу бічну смугу? Можливо, це пояснює, чому я читав речі про сигнали I та Q, які іноді мають уявні компоненти.
Malvineous

Так, це майже в двох словах.
Трейд Дейва

1
A=I2+Q2ϕ=arctan(QI)

9

Це стосується частоти дискретизації та того, як тактовий дискретизатор (локальний осцилятор або LO) стосується частоти сигналу, яка представляє інтерес.

Частота частоти Найквіста є вдвічі більшою частотою (або пропускною здатністю) у вибіркових спектрах (для запобігання згладжування) сигналів базової смуги. Але на практиці, з урахуванням сигналів кінцевої довжини і, отже, не математично ідеально смугових сигналів (а також потенційної потреби у фізично реалізованих фільтрах, що не є цегляними стінками), частота дискретизації для DSP повинна бути вище вдвічі більшої частоти сигналу . Таким чином, подвоєння кількості проб шляхом подвоєння швидкості вибірки (2X LO) все ще буде занадто низькою. Четвертне подрібнення частоти вибірки (4X LO) дозволило б вам значно перевищити швидкість Nyquist, але використання такої значно більшої частоти вибіркової частоти буде дорожчою з точки зору компонентів ланцюга, продуктивності АЦП, швидкості передачі даних DSP, необхідних мегафлопсів тощо.

Так вибірки IQ часто робиться з локального генератора в точці (або поблизу) щодо однієї і тієї ж частоті, що і сигнал або смуги частот , що представляє інтерес, який, очевидно , спосіб занадто низька частота дискретизації (для сигналів основної смуги частот) в відповідно до Найквиста. Один зразок за цикл синусоїди може бути весь на нульових перетинах, або всі на вершинах, або в будь-якій точці між ними. Ви майже нічого не дізнаєтесь про так синусоїдальний сигнал. Але давайте назвемо це, саме по собі майже марним, набором зразків I набору зразків IQ.

Але як щодо збільшення кількості проб, не просто подвоєння частоти вибірки, а взяття додаткової проби трохи після першого кожного циклу. Дві проби за цикл, трохи розставлені, дозволять оцінити нахил або похідну. Якби один зразок опинився на нульовому перетині, додаткового зразка не було б. Таким чином, вам було б набагато краще розібратися в сигналі, що відбирається. Двох балів, плюс знання про те, що сигнал, що цікавить, є приблизно періодичним при швидкості вибірки (через обмеження смуги), як правило, достатньо, щоб почати оцінювати невідомі канонічні синусоїдальні рівняння (амплітуда та фаза).

Але якщо ви зайшли занадто далеко один від одного з другим зразком, на півдорозі між першим набором зразків, у вас виникла та сама проблема, що і в 2X вибірці (один зразок може бути при позитивному нульовому перетині, інший - заперечним, що говорить вам нічого). Це та ж проблема, що у 2X занадто низький показник вибірки.

Але десь між двома зразками першого набору (набір "Я") є мила пляма. Не є надмірним, як при одночасному відборі проб, і не рівномірно розташованим (що еквівалентно подвоєнню частоти вибірки), є зміщення, яке дає вам максимальну інформацію про сигнал, при цьому вартість є точною затримкою для додаткової вибірки значно вищої частоти вибірки. Виявляється, що ця затримка становить 90 градусів. Це дає вам дуже корисний набір зразків "Q", який разом із набором "Я" говорить вам набагато більше про сигнал, ніж про поодинці. Можливо, достатньо для демодуляції AM, FM, SSB, QAM тощо, і т.д., в той час як складний або IQ вибірки на несучій частоті або дуже близько, замість того, щоб значно перевищувати 2X

Додано:

Точний зсув 90 градусів для другого набору зразків також добре відповідає половині компонентів базисних векторів у DFT. Повний набір необхідний для повного представлення несиметричних даних. Більш ефективний алгоритм FFT дуже часто використовується для великої обробки сигналів. Інші формати вибірки, що не належать IQ, можуть вимагати або попередньої обробки даних (наприклад, коригування будь-якого дисбалансу IQ у фазі або посилення), або використання більш тривалих FFT, таким чином потенційно є менш ефективним для деяких фільтруючих або демодуляційних процесів, як правило, типових. SDR обробка даних IF.

Додано:

Також зауважте, що пропускна здатність водоспаду сигналу IQ SDR, який може здатися широкосмуговим, як правило, трохи вужчий, ніж коефіцієнт IQ або складна частота вибірки, навіть незважаючи на те, що центральна частота попереднього комплексу-гетеродина може бути набагато вищою за частоту вибірки IQ . Таким чином, показник складової (2 компоненти на один комплексний або IQ-зразок), що вдвічі перевищує коефіцієнт IQ, в кінцевому підсумку є вищим, ніж вдвічі більше пропускної здатності, що цікавить, таким чином, відповідаючи вибірці Nyquist.

Додано:

Ви не можете створити другий квадратурний сигнал самостійно, просто затримавши вхід, оскільки ви шукаєте зміни між сигналом і сигналом на 90 градусів пізніше. І ви не побачите жодних змін, якщо будете використовувати однакові два значення. Тільки якщо ви зробите вибірку в два різні часи, трохи компенсуйте.


Це помилково. Як однокомпонентний відбір зразків зі швидкістю в 2 рази, так і вибірки IQ передбачають взяття однакової кількості проб і здатні представляти однакову пропускну здатність без двозначності. Однак різні технології впровадження можуть зробити один або інший підхід більш привабливим.
Кріс Страттон

Перше твердження, не згодне (для всіх практичних цілей). Теоретично для математично ідеально обмежених сигналів, можливо. Практично ні. Вибірка 2X швидкості значно чутливіша до квантування (та інших) шумів та тремтіння. Таким чином, згодне твердження я згоден.
hotpaw2

Ваша помилка полягає в думці, що там, де 2x вибірки недостатньо, було б вибірки 1x IQ. Безкоштовного обіду немає.
Кріс Страттон

2
Насправді ця відповідь дивовижна, ніж обрана відповідь. Я прочитав кращу відповідь, яку обрав ОП, і не мав кращої підказки щодо того, ЧОМУ існували необхідності у двох зразках, взятих на 90 градусів. Однак, прочитавши цю відповідь, мені було зрозуміло, наскільки 2-й зразок затримки на 90 градусів корисний і дозволяє отримати більше інформації. Ця відповідь не заслужила жодної позиції, тому я даю сюжет.
Брайан Онн

1
Якщо ми можемо розглянути програми ІЧ-вибірки та недобігування (поширені в SDR), то вищезгадане було б читати правильніше як "Частота дискретизації для DSP повинна бути вище вдвічі більшої пропускної здатності сигналу" (що не те саме, що найвища частота сигналу).
Дан Бошен

8

Це дійсно така проста тема, яку майже ніхто не пояснює добре. Для тих, хто намагається зрозуміти це, подивіться відео W2AEW, http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . Всього за 16 хвилин він переходить від супу до горіхів, навіть демонструючи свій осцилограф і схему, яку він створив.


Нічого собі, це справді дуже інформативне відео. На жаль, він здебільшого зосереджується на модуляції, тоді як моє питання стосувалося переважно демодуляції. Він торкається цього в кінці, і, здається, це має щось спільне з місцевими осциляторами, які на 90 градусів поза фазою. Можливо, одного дня хтось придумає, як пояснити, як працює цей шматочок! Я досі не маю уявлення, як цифровий пристрій може взяти зразок через встановлений інтервал, але все-таки це 90 градусів поза фазою як для сигналу 1 МГц, так і для сигналу 2 МГц!
Malvineous

2

Iі Qє просто іншим способом подання сигналу. Ви подумки думаєте про сигнал як про синусоїду, модульовану по його амплітуді, частоті або фазі.

Синусоїди можуть бути представлені у вигляді вектора. Якщо ви пам'ятаєте вектори на уроці фізики, ви прагнете працювати з компонентами xта його yкомпонентами (додаючи x'sразом і те y's). Ось що Iі Qє, по суті, X(будучи безфазним I) і Y(Квадратура - Q).

Коли ви представляєте синусоїду як вектор і робите доступними Iі Q, може бути набагато простіше мати програмне забезпечення для виконання математики для демодуляції сигналу. На вашому комп’ютері є спеціалізовані мікросхеми - відеокарта та звукова карта - це VECTORпроцесори - з додатковими реєстрами для зберігання xта yкомпонентів для швидкого обчислення.

Ось чому SDRхоче Iі Q. Iі Qдозволити векторним процесорам на вашому комп’ютері робити демодуляцію швидко та ефективно.


@DanielGrillo - насправді не потрібно заднім числом висвітлювати прості терміни протягом чужої посади.
Кріс Страттон

@ChrisStratton Ця відповідь була у моєму списку огляду пізніх відповідей . Я щойно це робив, бо там був. Я просто намагався допомогти.
Даніель Грілло

Дякую за відповідь. Це допомагає пояснити, як я та Q використовуються, але насправді не вони є, в чому полягає суть питання. Сказавши, що вони є компонентами вектора, просто відштовхує питання, чому представляють сигнал з векторами і на що би вказував один із цих векторів?
Malvineous
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.