Цифровой или аналоговый? Как следует выполнять объединение и разделение I и Q?

Как выполнить комбинирование I и Q? Аналоговыми или цифровыми средствами? В этой статье будут обсуждаться основы аналогового и цифрового подходов к IQ.

Аналоговые модуляторы IQ (для передатчиков) и демодуляторы IQ (для приемников) используются в течение десятилетий (с [1] по [3]).

Недавно были представлены новые аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, которые могут напрямую выполнять выборку ПЧ на частотах от 1 до 4 ГГц; отбор проб во 2-й, 3-й и 4-й зонах Найквиста ([4] - [7]). Они в сочетании с высокоскоростной цифровой логикой позволяют объединение (для аналогово-цифрового преобразования) и разделение (для аналогово-цифрового преобразования) действительно в цифровом виде (с [8] по [21]). Это проиллюстрировано на Рисунке 1 (а) (для модулятора) и Рисунке 1 (b) (для демодулятора) с преобразователем данных (ЦАП или АЦП) в позиции «D».

Рисунок 1 (а). Модулятор

Рисунок 1 (b). Демодулятор

С другой стороны, интегрированные аналоговые I, Q-комбайнеры и разделители имеют очень хорошее согласование между I и Q трактами, что решает некоторые возражения против выполнения этих процессов аналогично. Аналоговый метод также требует вдвое большего количества преобразователей данных (A / D или D / As), чем прямая выборка на IF, но они работают с более низкими частотами выборки; поэтому они дешевле и требуют меньше энергии. Это показано на Рисунке 1 (a) (для модулятора) и Рисунке 1 (b) (для демодулятора) с преобразователем данных (DAC или ADC) в позиции «A».

Автор задумывается над этим вопросом. Он спросил мнения о нескольких группах LinkedIn и получил ценные ответы. С одобрения признанных участников они подтверждаются ниже. Он также узнал всю возможную информацию о свойствах современных интегральных схем (ИС) для этих функций и о результатах любых требований к производительности, которые были определены для этих ИС. Исходя из этого, он попытался сделать любые общие выводы, которые можно было бы сделать, чтобы ответить на вопрос; «Должны ли модуляция IQ и демодуляция выполняться аналоговым или цифровым способом?»

Аналоговый подход к IQ

Аналоговый подход IQ существует уже несколько десятилетий (с [1] по [3]). Любой сигнал ПЧ или РЧ может быть представлен как

R (t) =I (t) cos (2πft) + Q (t) sin (2πft)

где f - несущая частота, I (t) называется синфазной составляющей, а Q (t) - квадратурной составляющей. Аналоговый модулятор IQ принимает сигналы основной полосы частот I (t) и Q (t) и формирует R (t). Это показано на рисунке 1 (a) с ЦАП в положении A. Аналоговый демодулятор IQ принимает в качестве входа R (t) и формирует I (t) и Q (t). Это показано на Рисунке 1 (b) с ЦАП в положении A.

Важной проблемой аналогового подхода является поддержание идентичности коэффициентов усиления на двух путях и разницы фаз точно 90º. Иногда из-за этих требований пренебрегают двумя фильтрами нижних частот. Они должны быть точно согласованы по усилению и фазе для всех частот, на которых имеется значительная энергия сигнала. Более точная количественная оценка этих требований и нарушений, вызванных отклонениями от них, будет представлена ​​в следующей статье.

Подход Digital IQ

Недавние разработки в области высокоскоростных преобразователей данных (ЦАП и АЦП) привели людей к тому, чтобы избежать проблемы дисбаланса IQ, обсуждаемой в разделе «Аналоговый IQ-подход», путем реализации функций IQ-модулятора и демодулятора в цифровом виде, где усиление и фаза могут быть получены без каких-либо ограничений. ошибка ([5], [8] - [21]). Для случая модулятора на выходе имеется высокоскоростной ЦАП, как показано на рисунке 1 (а), с ЦАП в положении D. Для случая демодулятора на входе имеется высокоскоростной АЦП, как показано на рис. Рисунок 1 (b) с АЦП в положении B.

Часто в этих цифровых подходах используется эффект наложения спектров с использованием так называемой полосовой выборки ([22] - [24]. [24A], [24B]). На рис. 2 (а) показана временная дискретизация сигнала. На рис. 2 (б) показаны спектры несэмплированного и дискретизированного сигналов. Тактовая частота дискретизации АЦП выполняет ту же функцию, что и локальный осциллятор в ВЧ-смесителе. Для АЦП аналоговый фильтр может пропускать только сигнал в одной зоне Найквиста, и это действие микширования может использоваться для преобразования сигнала в этой зоне Найквиста с понижением частоты до основной полосы частот.

Рисунок 2 (а). Выборка во временной области

Рисунок 2 (b). спектры несэмплированного и дискретизированного сигналов

Для ЦАП выходной сигнал может быть сформирован вовремя, чтобы улучшить характеристики на более высоких частотах.

На рисунке 3 (a) показан выход ЦАП «Нормальный» или «Без возврата к нулю» (NRZ). После каждого образца выходной сигнал остается постоянным до следующего образца. Аналоговый спектр показан на рисунке 3 (b).

Рисунок 3 (а). Выборка во временной области

Рисунок 3 (b).

На рисунке 4 (а) показан выход ЦАП «Возврат к нулю» (RZ). После каждой выборки выходной сигнал остается постоянным в течение половины периода выборки, а затем стремится к нулю. Это приводит к увеличению амплитуды во второй зоне Найквиста, как показано на рисунке 4 (b).

Рисунок 4 (а). Выборка во временной области

Рисунок 4 (б).

На рисунке 5 (а) показан выход ЦАП «Mix» или «RF». После каждой выборки выходной сигнал остается постоянным в течение половины периода выборки, а затем становится отрицательным. Это та же операция, что и микшер, который использует обе полярности формы волны локального осциллятора. Аналоговый спектр, показанный на рисунке 5 (b), имеет еще большую амплитуду во второй зоне Найквиста. После того, как форма волны создана любым из вышеперечисленных методов, желаемые частоты должны быть отфильтрованы с помощью низкочастотного или полосового фильтра, чтобы удалить любые нежелательные псевдонимы и ложные отклики, которые могут возникнуть.

Рисунок 5 (а). Выборка во временной области

Рисунок 5 (b).

Цифровой подход позволяет избежать проблем с квадратурным дисбалансом. Однако все преобразователи данных имеют свои собственные нежелательные элементы из-за эффектов квантования и дискретизации. Некоторые из этих эффектов будут показаны в следующей статье. Стоимость и требования к мощности этих высокоскоростных преобразователей данных также часто высоки по сравнению с аналоговыми сетями IQ.

Благодарности

Когда вопросы, затронутые в этом отчете, впервые пришли в голову автору, он запросил комментарии через некоторые группы LinkedIn. Было получено несколько полезных отзывов. Те, кто дал разрешение на использование своей личной информации:Гэри Каатц, Халед Сайед (Consultix-Egypt), Дитер Джус (ON Semiconductor) и Джайдип Бос (Asmaitha Wireless Technologies). Автор также благодарит свою жену Элизабет, которая, вероятно, задавалась вопросом, чем занимается ее муж; уединенный в своем домашнем офисе, выполняя работу, за которую ему, по всей видимости, не платили.

Ссылки

Следующие ссылки будут использоваться для каждой из статей этой серии.

Аналоговые модуляторы и демодуляторы IQ:общее описание

[1] Шоу-Сянь Вэн; Че-Хао Шэнь; Хун-Йе Чанг, «Двунаправленный IQ-модулятор / демодулятор CMOS с широким диапазоном модуляции для гигабитных приложений микроволнового и миллиметрового диапазона», Конференция по микросхемам микроволнового диапазона (EuMIC), 2012 7-я Европейская конференция, том, №, стр. 8,11, 29–30 октября 2012 г.

[2] Эймон Нэш; «Исправление недостатков в модуляторах IQ для повышения точности передачи радиочастотного сигнала»; Замечания по применению Analog Devices AN-1039; 2009

[3] Анон; «Приемник на базе IQ-демодулятора для преобразования ПЧ в основную полосу с переменным усилением ПЧ и основной полосы частот и программируемой фильтрацией основной полосы частот»; Примечание схемы компании Analog Devices CN-0320; 2013

Высокоскоростные преобразователи данных (ЦАП и АЦП); Общая информация

[4] Джастин Мансон; «Понимание тестирования и оценки высокоскоростного ЦАП»; Замечания по применению Analog Devices AN-928; 2013

[5] Engel, G .; Fague, D.E .; Толедано, А., "РЧ-цифро-аналоговые преобразователи обеспечивают прямой синтез сигналов связи", журнал Communications, IEEE, том 50, № 10, стр.108, 116, октябрь 2012 г.

[6] Крис Пирсон; «Основы высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей»; Отчет по применению Texas Instruments SLAA523A; 2012

[7] Алекс Аррантс, Брэд Браннон и Роб Ридер; «Понимание тестирования и оценки высокоскоростных АЦП»; Замечания по применению Analog Devices AN-835, 2010 г.

Цифровые модуляторы и демодуляторы IQ

[8] Samueli, H .; Вонг, Британская Колумбия, «Архитектура СБИС для высокоскоростного полностью цифрового квадратурного модулятора и демодулятора для приложений цифрового радио», «Избранные области связи», журнал IEEE on, том 8, № 8, стр. 1512, 1519, октябрь. 1990

[9] Вонг, Британская Колумбия; Самуэли, Х., "Полностью цифровой модулятор и демодулятор QAM на 200 МГц в 1,2-нм CMOS для приложений цифрового радио", Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.26, No. 12, pp.1970, 1980. , Декабрь 1991 г.

[10] Кен Джентиле; «Коэффициент усиления цифрового квадратурного модулятора»; Замечания по применению Analog Devices AN-924; 2009

[11] Lou, J. H .; Куо, JB, "1,5-В CMOS полностью N-логика истинно однофазная самонастраивающаяся динамическая логическая схема, подходящая для низкого напряжения питания и высокоскоростной конвейерной работы системы", Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, том 46, номер 5, стр 628 631, май 1999 г.

[12] Vankka, J .; Sommarek, J .; Ketola, J .; Тейкари, я; Халонен, К. А.И., "Цифровой квадратурный модулятор со встроенным цифро-аналоговым преобразователем", Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.38, No. 10, pp.1635, 1642, Oct. 2003

[13] Яньлинь Ву; Дэнвэй Фу; Уилсон, А., «Прямой цифровой квадратурный модулятор с частотой 415 МГц в КМОП-матрице 0,25 нм», Custom Integrated Circuits Conference, Proceedings of the IEEE 2003, vol., No., Pp.287,290, 21-24 сентября 2003 г.

[14] Sommarek, J .; Vankka, J .; Ketola, J .; Lindeberg, J .; Халонен, К., «Цифровой модулятор с полосовым дельта-сигма-модулятором», Конференция по твердотельным схемам, 2004 г. ESSCIRC 2004. Proceeding of the 30th European, pp.159, 162, 21–23 сентября 2004 г.

[15] Lin, P.F .; Lou, J. H .; Куо, Дж. Б., "Квадратурный модулятор CMOS для ИС беспроводной связи", Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications, IEEE Transactions on, vol.44, No. 6, pp.559, 561, Jun 1997

[16] Парих В.К .; Balsara, P.T .; Элиэзер, О.Е., "Широкополосные беспроводные передатчики на основе полностью цифровых квадратурных модуляторов", Circuits and Systems I:Regular Papers, IEEE Transactions on, vol.56, No. 11, pp.2487, 2497, Nov. 2009

[17] Alavi, M.S .; Сташевский, Р.Б .; de Vreede, L.C.N .; Лонг, Дж. Р., "Широкополосный 13-битный полностью цифровой I / Q RF-DAC," Теория и методы микроволнового излучения, IEEE Transactions on, том 62, № 4, стр. 732, 752, апрель 2014 г.

[18] Инкол, Роберт и Сэпер, Рон; "Цифровой квадратурный модулятор для радиолокационных приложений ESM" Канадское ОБОРОННОЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОТТАВА ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕЧАНИЕ 92-10; 1992

[19] Ziomek, C .; Корредура, П., "Цифровой I / Q-демодулятор", Конференция по ускорителям частиц, 1995., Proceedings of the 1995, vol.4, no., Pp.2663,2665 vol.4,1-5 мая 1995 г.

[20] Ho, K.C .; Chan, Y.T .; Инкол, Р., "Система цифровой квадратурной демодуляции", Аэрокосмические и электронные системы, IEEE Transactions on, том 32, № 4, стр. 1218, 1227, октябрь 1996 г.

[21] Браво, А; Круз-Ролдан, Ф., «Цифровой квадратурный демодулятор с четырьмя фазами смешения для цифровых радиоприемников», Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, vol.50, No. 12, pp.1011,1015, Декабрь 2003 г.

Полосовая выборка (в версии 04 изменено «субгармоническая выборка» на «полосовая выборка»)

[22] Parssinen, A; Magoon, R .; Long, S.I; Порра, Вейкко, "Субгармонический дискретизатор 2 ГГц для понижающего преобразования сигнала", Теория и методы микроволнового излучения, IEEE Transactions on, том 45, № 12, стр. 2344, 2351, декабрь 1997 г.

[23] Jensen, B.S .; Schmidl Sobjaerg, S .; Скоу, Н .; Крозер, В., «Компактный предварительный образец для следующего поколения поляриметрического радиометра L-диапазона, подавляющего радиопомехи,», Microwave Conference, 2009. EuMC 2009. European, том, №, стр. 1626, 1629, 29 сентября 2009 г. -Окт. 1 2009 г.

[24] Ahmed, S .; Saad El Dine, M .; Ревейранд, Т .; Neveux, G .; Barataud, D .; Небус, Дж. М., «Система измерения во временной области с использованием усилителя Track &Hold, применяемая для импульсной радиочастотной характеристики высокомощных устройств на основе GaN», Сборник микроволнового симпозиума (MTT), 2011 IEEE MTT-S International, vol., No., Pp.1 , 4, 5–10 июня 2011 г.

[24A] Akos, D.M .; Штокмастер, М .; Tsui, J.BY; Кашера, Дж., "Прямая выборка нескольких отдельных радиочастотных сигналов в полосе пропускания", Связь, IEEE Transactions on, том 47, № 7, стр 983 988, июль 1999 г.

[24B] Чинг-Сян Цзэн; Сун-Чунг Чоу, «Прямое преобразование с понижением частоты множественных радиочастотных сигналов с использованием полосовой выборки», Коммуникации, 2003. ICC '03. Международная конференция IEEE, том 3, №, стр. 2003 г., 2007 г., том 3, 11-15 мая 2003 г.

Последствия дисбаланса IQ, компенсация и эксплуатация не предлагаются

[25] Lopez-Martinez, F.J .; Мартос-Ная, Э .; Paris, J.F .; Entrambasaguas, JT, "Точный анализ BER в закрытой форме систем OFDM при наличии дисбаланса IQ и ICSI", Беспроводная связь, Транзакции IEEE, том 10, № 6, стр. 1914, 1922, июнь 2011

[26] Янин Цзоу; Валкама, М .; Ренфорс, М., "Анализ производительности систем MIMO-OFDM с пространственно-временным кодированием при I / Q-дисбалансе", Акустика, обработка речи и сигналов, 2007. ICASSP 2007. Международная конференция IEEE, том 3, №, стр. III-341, III-344, 15-20 апреля 2007 г.

[27] Чиа-Лян Лю, «Влияние дисбаланса I / Q на обнаружение QPSK-OFDM-QAM», Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.44, No. 3, pp.984, 989, Aug 1998

[28] Хын-Гюн Рю, «Эффект разнообразия связи OFDM с дисбалансом IQ в канале с рэлеевским замиранием», Программное обеспечение и сети связи, 2010. ICCSN '10. Вторая международная конференция, т., №, стр. 489, 493, 26–28 февраля 2010 г.

[29] Stroet, P .; «Точное измерение фазовых ошибок и ошибок задержки в I / Q-модуляторах»; Примечание по применению линейной технологии 102; AN102-1; Октябрь 2005 г.

7.6 Предлагаемые эффекты дисбаланса IQ, компенсация или эксплуатация

[30] Tarighat, A; Саид, А. Х., «Совместная компенсация ухудшений передатчика и приемника в системах OFDM», Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 6, № 1, стр. 240, 247, январь 2007 г.

[31] Марей, Мохамед; Стиендам, Хайди, «Новые алгоритмы обнаружения данных и оценки канала для асинхронных систем восходящего канала BICM-OFDMA при наличии дисбаланса IQ», Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 13, № 5, стр. 2706, 2716, май 2014 г.

[32] Narasimhan, B .; Narayanan, S .; Minn, H .; Аль-Дахир, Н., "Компенсация базовой полосы пониженной сложности совместного дисбаланса Tx / Rx I / Q в мобильном MIMO-OFDM", Беспроводная связь, Транзакции IEEE on, том 9, номер 5, стр. 1720,1728, Май 2010 г.

[33] Оздемир, О .; Hamila, R .; Аль-Дахир, Н., "I / Q-дисбаланс в приемопередатчиках с множественным формированием луча {OFDM}:анализ SINR и цифровая компенсация основной полосы частот", Связь, транзакции IEEE on, том 61, № 5, стр. 1914, 1925, май 2013 г.

[34] Inamori, M .; Bostamam, AM .; Sanada, Y .; Минами, Х., «Схема компенсации дисбаланса IQ при наличии смещения частоты и динамического смещения постоянного тока для приемника прямого преобразования», Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 8, № 5, стр. 2214, 2220, май 2009 г.

[35] Tarighat, A; Саид, AH., "Приемники MIMO OFDM для систем с IQ дисбалансом", Обработка сигналов, Транзакции IEEE on, том 53, № 9, стр. 35833596, сентябрь 2005 г.

[36] Хай Линь; Ямасита, К., "Компенсация на основе распределения поднесущих для смещения несущей частоты и дисбаланса I / Q в системах OFDM", Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 8, № 1, стр. 18, 23, январь 2009 г.

7.7 Требования к ЦАП и АЦП BaseBand

[37] Суно-Вон Чанг; Сын-Юн Ли; Кю-Хо Парк, «Энергосберегающая сверхширокополосная цифровая радиосистема OFDM», Системы обработки сигналов, 2004 г. SIPS 2004. Семинар IEEE, том, №, стр. 211, 216, 13-15 октября 2004 г.

Требования к РЧ ЦАП и АЦП; и для нелинейностей RF

[38] de Mateo Garcia, J.C .; Армада, А.Г., «Влияние полосовой сигма-дельта-модуляции на сигналы OFDM», Consumer Electronics, IEEE Transactions on, том 45, № 2, стр. 318 326, май 1999 г.

[39] Maurer, L .; Schelmbauer, W .; Pretl, H .; Спрингер, А; Адлер, Б .; Boos, Z .; Вейгель, Р., "Влияние нелинейностей входного каскада приемника на сигналы W-CDMA", Microwave Conference, Азиатско-Тихоокеанский регион, 2000 г., том, №, стр. 249, 252, 2000

[40] Китаек Бэ; Чанъён Шин; Пауэрс, Э.Дж., «Анализ производительности систем OFDM с выбранным отображением при наличии нелинейности», Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 12, №5, стр. 2314, 2322, май 2013 г.

[41] Махим Ранджан; Ларсон, Л.Е., "Анализ искажений в интерфейсах сверхширокополосных приемников OFDM", Теория и методы микроволнового излучения, IEEE Transactions on, том 54, номер 12, стр. 4422, 4431, декабрь 2006 г.

7.9 Агрегация операторов связи для LTE-Advanced; Требования к широкополосному спектру.

[42] Педерсен, К.И.; Фредериксен, Ф .; Rosa, C .; Nguyen, H .; Garcia, L.G.U .; Юанье Ван, «Агрегация операторов связи для LTE-advanced:функциональные возможности и аспекты производительности», журнал Communications, IEEE, том 49, № 6, стр. 89,95, июнь 2011 г.