Аналоговое против цифрового IQ-комбинирования: выбор правильного подхода для вашей RF-системы

Как должно выполняться I- и Q-комбинирование? Аналоговым или цифровым способом? Эта статья обсудит основы аналоговых и цифровых подходов к IQ.

Аналоговые IQ-модуляторы (для передатчиков) и IQ-демуляторы (для приёмников) используются десятилетиями ([1]–[3]).

Недавно появились новые АЦП и ЦАП, которые могут напрямую дискретизировать ПЧ от 1 до 4 ГГц; дискретизация во 2-й, 3-й и 4-й зонах Найквиста ([4]–[7]). В сочетании с более быстрой цифровой логикой это позволяет выполнять комбинирование (для АЦП) и разделение (для ЦАП) цифровым способом ([8]–[21]). Это проиллюстрировано на Рисунке 1(a) (для модулятора) и Рисунке 1(b) (для демодулятора) с преобразователем данных (ЦАП или АЦП) в позиции «D».

Рисунок 1(a). Модулятор

Рисунок 1(b). Демодулятор

С другой стороны, интегрированные аналоговые IQ-комбинаторы и сепараторы имеют отличное согласование между I- и Q-путями, решая некоторые возражения против аналоговой обработки. Аналоговый метод также требует в два раза больше преобразователей данных (АЦП или ЦАП), чем прямая дискретизация на ПЧ, но они работают на более низких частотах дискретизации; поэтому они дешевле и потребляют меньше энергии. Это показано на Рисунке 1(a) и 1(b) с преобразователем в позиции «A».

Автор начал размышлять об этом вопросе. Он запрашивал мнения в нескольких группах LinkedIn и получил ценные ответы. С одобрения подтвердивших, они указаны ниже. Он также собрал всю доступную информацию о свойствах современных интегральных схем (ИС) для этих функций и о каких-либо определённых требованиях к их производительности. На основе этого он попытался сформулировать общие выводы, отвечающие на вопрос: «Должно ли IQ-модулирование и демодуляция выполняться аналогово или цифрово?»

Аналоговый подход IQ

Аналоговый подход IQ существует десятилетиями ([1]–[3]). Любой ПЧ или RF-сигнал может быть представлен как

R(t) = I(t)cos(2πft) + Q(t)sin(2πft)

где f — несущая частота, I(t) — in-phase компонента, Q(t) — квадратурная компонента. Аналоговый IQ-модулятор принимает базовые сигналы I(t) и Q(t) и формирует R(t). Это показано на Рисунке 1(a) с ЦАП в позиции А. Аналоговый IQ-демулятор принимает R(t) и формирует I(t) и Q(t). Это показано на Рисунке 1(b) с ЦАП в позиции А.

Критическая проблема аналогового подхода — поддержание одинаковых коэффициентов усиления по двум путям и точно 90° разности фаз. Иногда игнорируются требования к двум ФНЧ. Они должны быть точно согласованы по усилению и фазе для всех частот, где есть значимая сигнальная энергия. Более точная квантификация этих требований и нарушений, вызванных отклонениями, показана в следующей статье.

Цифровой подход IQ

Недавние разработки в высокоскоростных преобразователях данных (ЦАП и АЦП) привели к избежанию проблемы IQ-дисбаланса, обсуждаемой в разделе «Аналоговый подход IQ», путём реализации функций IQ-модулятора и демодулятора цифровым способом, где усиление и фаза могут быть произведены без ошибки ([5], [8]–[21]). Для случая модулятора на выходе используется высокоскоростной ЦАП, как показано на Рисунке 1(a) с ЦАП в позиции D. Для случая демодулятора на входе используется высокоскоростной АЦП, как показано на Рисунке 1(b) с АЦП в позиции B.

Часто эти цифровые подходы используют эффект алиазинга, применяя так называемую полосовую дискретизацию ([22]–[24], [24A], [24B]). Рисунок 2(a) показывает волну, дискретизированную во времени. Рисунок 2(b) показывает спектры недискретизированного и дискретизированного сигналов. Тактовый генератор АЦП выполняет ту же функцию, что и гетеродин в RF-микшере. Для АЦП аналоговый фильтр может пропускать только сигнал в одной зоне Найквиста, и это действие смешивания может использоваться для понижения частоты сигнала в этой зоне до базовой.

Рисунок 2(a). Дискретизация во временной области

Рисунок 2(b). Спектры недискретизированного и дискретизированного сигнала

Для ЦАП выход может быть сформирован во времени для улучшения производительности на более высоких частотах.

Рисунок 3(a) показывает «нормальный» или «невозвращающийся в ноль» (NRZ) выход ЦАП. После каждого отсчёта выход остаётся постоянным до следующего отсчёта. Аналоговый спектр показан на Рисунке 3(b).

Рисунок 3(a). Дискретизация во временной области

Рисунок 3(b).

Рисунок 4(a) показывает «возвращающийся в ноль» (RZ) выход ЦАП. После каждого отсчёта выход остаётся постоянным половину периода дискретизации, затем уходит в ноль. Это увеличивает амплитуду во второй зоне Найквиста, как показано на Рисунке 4(b).

Рисунок 4(a). Дискретизация во временной области

Рисунок 4(b).

Рисунок 5(a) показывает «смешанный» или «RF» выход ЦАП. После каждого отсчёта выход остаётся постоянным половину периода, затем становится отрицательным этого значения. Это та же операция, что и микшер, использующий обе полярности волны гетеродина. Аналоговый спектр, показанный на Рисунке 5(b), имеет ещё большую амплитуду во второй зоне Найквиста. После формирования волны любым из методов, желаемые частоты должны быть отфильтрованы ФНЧ или ППФ для удаления нежелательных алиазов и спурных ответов.

Рисунок 5(a). Дискретизация во временной области

Рисунок 5(b).

Цифровой подход избегает любых проблем с квадратурным дисбалансом. Однако все преобразователи данных имеют свои нежелательные артефакты из-за эффектов квантования и дискретизации. Некоторые из этих эффектов будут показаны в следующей статье. Стоимость и энергопотребление этих высокоскоростных преобразователей также часто высоки по сравнению с аналоговыми IQ-сетями.

Благодарности

Когда вопросы, адресованные в этом отчёте, впервые появились в голове автора, он запрашивал комментарии через некоторые группы LinkedIn. Получено несколько полезных ответов. Те, кто разрешил использование личной информации: Гэри Каатц, Халед Саед (Consultix-Egypt), Дитер Йос (ON Semiconductor) и Джайдип Бозе (Asmaitha Wireless Technologies). Автор также благодарит свою жену, Элизабет, которая, вероятно, удивлялась, чем занимается муж; уединённый в домашнем офисе, делая работу, за которую, казалось, не платят.

Ссылки

Следующие ссылки будут использоваться для каждой статьи этой серии.

Аналоговые IQ-модуляторы и демодуляторы: общие описания

[1] Shou-Hsien Weng; Che-Hao Shen; Hong-Yeh Chang, "A wide modulation bandwidth bidirectional CMOS IQ modulator/demodulator for microwave and millimeter-wave gigabit applications," Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2012 7th European , vol., no., pp.8,11, 29-30 Oct. 2012

[2] Eamon Nash; "Correcting Imperfections in IQ Modulators to Improve RF Signal Fidelity "; Analog Devices Application Note AN-1039; 2009

[3] Anon; "An IQ Demodulator-Based IF-to-Baseband Receiver with IF and Baseband Variable Gain and Programmable Baseband Filtering "; Analog Devices Circuit Note CN-0320; 2013

Высокоскоростные преобразователи данных (ЦАП и АЦП); общая информация

[4] Justin Munson; "Understanding High Speed DAC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013

[5] Engel, G.; Fague, D.E.; Toledano, A, "RF digital-to-analog converters enable direct synthesis of communications signals," Communications Magazine, IEEE, vol.50, no.10, pp.108, 116, October 2012

[6] Chris Pearson; "High Speed, Digital to Analog Converters Basics"; Texas Instruments Application Report SLAA523A; 2012

[7] Alex Arrants, Brad Brannon and Rob Reeder; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-835, 2010.

Цифровые IQ-модуляторы и демодуляторы

[8] Samueli, H.; Wong, B.C., "A VLSI architecture for a high-speed all-digital quadrature modulator and demodulator for digital radio applications," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol.8, no.8, pp.1512,1519, Oct 1990

[9] Wong, B.C.; Samueli, H., "A 200-MHz all-digital QAM modulator and demodulator in 1.2-nm CMOS for digital radio applications," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.26, no.12, pp.1970, 1980, Dec 1991

[10] Ken Gentile; "Digital Quadrature Modulator Gain "; Analog Devices Application Note AN-924; 2009

[11] Lou, J. H.; Kuo, J.B., "A 1.5-V CMOS all-N-logic true-single-phase bootstrapped dynamic-logic circuit suitable for low supply voltage and high-speed pipelined system operation," Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, vol.46, no.5, pp.628,631, May 1999

[12] Vankka, J.; Sommarek, J.; Ketola, J.; Teikari, I; Halonen, K. A I, "A digital quadrature modulator with on-chip D/A converter," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.38, no.10, pp.1635, 1642, Oct. 2003

[13] Yanlin Wu; Dengwei Fu; Willson, A, "A 415 MHz direct digital quadrature modulator in 0.25-nm CMOS", Custom Integrated Circuits Conference, Proceedings of the IEEE 2003, vol., no., pp.287,290, 21-24 Sept. 2003

[14] Sommarek, J.; Vankka, J.; Ketola, J.; Lindeberg, J.; Halonen, K., "A digital modulator with bandpass delta-sigma modulator," Solid-State Circuits Conference, 2004. ESSCIRC 2004. Proceeding of the 30th European, pp.159, 162, 21-23 Sept. 2004

[15] Lin, P.F.; Lou, J. H.; Kuo, J.B., "A CMOS quadrature modulator for wireless communication IC," Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, IEEE Transactions on, vol.44, no.6, pp.559, 561, Jun 1997

[16] Parikh, V.K.; Balsara, P.T.; Eliezer, O.E., "All Digital-Quadrature-Modulator Based Wideband Wireless Transmitters," Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on, vol.56, no.11, pp.2487, 2497, Nov. 2009

[17] Alavi, M.S.; Staszewski, R.B.; de Vreede, L.C.N.; Long, J.R., "A Wideband13-bit All-Digital I/Q RF-DAC," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.62, no.4, pp.732, 752, April 2014

[18] Inkol, Robert and Saper, Ron; "Digital Quadrature Modulator for Radar ESM Applications" Canadian DEFENCE RESEARCH ESTABLISHMENT OTTAWA TECHNICAL NOTE 92-10; 1992

[19] Ziomek, C.; Corredoura, P., "Digital I/Q demodulator," Particle Accelerator Conference, 1995., Proceedings of the 1995 , vol.4, no., pp.2663,2665 vol.4,1-5 May 1995

[20] Ho, K.C.; Chan, Y.T.; Inkol, R., "A digital quadrature demodulation system," Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on , vol.32, no.4,pp.1218,1227, Oct 1996

[21] Bravo, A; Cruz-Roldan, F., "Digital quadrature demodulator with four phases mixing for digital radio receivers," Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, vol.50, no.12, pp.1011,1015, Dec. 2003

Полосовая дискретизация (Rev .04 изменил «субгармоническую дискретизацию» на «полосовую дискретизацию»)

[22] Parssinen, A; Magoon, R.; Long, S.I; Porra, Veikko, "A 2-GHz subharmonic sampler for signal downconversion," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.45, no.12, pp.2344, 2351, Dec 1997

[23] Jensen, B.S.; Schmidl Sobjaerg, S.; Skou, N.; Krozer, V., "Compact front-end prototype for next generation RFI-rejecting polarimetric L-band radiometer," Microwave Conference, 2009. EuMC 2009. European, vol., no., pp.1626, 1629, Sept. 29 2009-Oct. 1 2009

[24] Ahmed, S.; Saad El Dine, M.; Reveyrand, T.; Neveux, G.; Barataud, D.; Nebus, J. M., "Time-domain measurement system using Track & Hold Amplifier applied to pulsed RF characterization of high power GaN devices," Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International , vol., no., pp.1,4, 5-10 June 2011

[24A] Akos, D.M.; Stockmaster, M.; Tsui, J. B Y; Caschera, J., "Direct bandpass sampling of multiple distinct RF signals," Communications, IEEE Transactions on , vol.47, no.7, pp.983,988, Jul 1999

[24B] Ching-Hsiang Tseng; Sun-Chung Chou, "Direct downconversion of multiple RF signals using bandpass sampling," Communications, 2003. ICC '03. IEEE International Conference on , vol.3, no., pp.2003,2007 vol.3, 11-15 May 2003

Эффекты IQ-дисбаланса, без компенсации или эксплуатации

[25] Lopez-Martinez, F.J.; Martos-Naya, E.; Paris, J.F.; Entrambasaguas, J.T., "Exact Closed-Form BER Analysis of OFDM Systems in the Presence of IQ Imbalances and ICSI," Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.10, no.6, pp.1914, 1922, June 2011

[26] Yaning Zou; Valkama, M.; Renfors, M., "Performance Analysis of Space-Time Coded MIMO-OFDM Systems Under I/Q Imbalance," Acoustics, Speech and Signal Processing, 2007. ICASSP 2007. IEEE International Conference on, vol.3, no., pp.III-341, III-344, 15-20 April 2007

[27] Chia-Liang Liu, "Impacts of I/Q imbalance on QPSK-OFDM-QAM detection," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.44, no.3, pp.984, 989, Aug 1998

[28] Heung-Gyoon Ryu, "Diversity Effect of OFDM Communication with IQ Imbalance in the Rayleigh Fading Channel," Communication Software and Networks, 2010.ICCSN '10. Second International Conference on, vol., no., pp.489, 493, 26-28 Feb. 2010

[29] Stroet, P.; "Measuring Phase and Delay Errors Accurately in I/Q Modulators"; Linear Technology Application Note 102; AN102-1; October 2005

Эффекты IQ-дисбаланса, с компенсацией или эксплуатацией

[30] Tarighat, A; Sayed, AH, "Joint compensation of transmitter and receiver Impairments in OFDM systems," Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.6, no.1, pp.240, 247, Jan. 2007

[31] Marey, Mohamed; Steendam, Heidi, "Novel Data Detection and Channel Estimation Algorithms for BICM-OFDMA Uplink Asynchronous Systems in the Presence of IQ Imbalance," Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.13, no.5, pp.2706,2716, May 2014

[32] Narasimhan, B.; Narayanan, S.; Minn, H.; Al-Dhahir, N., "Reduced-complexity baseband compensation of joint Tx/Rx I/Q imbalance in mobile MIMO-OFDM," Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.9, no.5, pp.1720,1728, May 2010

[33] Ozdemir, O.; Hamila, R.; Al-Dhahir, N., "I/Q Imbalance in Multiple Beamforming {OFDM} Transceivers: SINR Analysis and Digital Baseband Compensation," Communications, IEEE Transactions on, vol.61, no.5, pp.1914, 1925, May 2013

[34] Inamori, M.; Bostamam, AM.; Sanada, Y.; Minami, H., "IQ imbalance compensation scheme in the presence of frequency offset and dynamic DC offset for a direct conversion receiver," Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.8, no.5, pp.2214,2220, May 2009

[35] Tarighat, A; Sayed, AH., "MIMO OFDM Receivers for Systems With IQ Imbalances," Signal Processing, IEEE Transactions on , vol.53, no.9, pp.35833596, Sept. 2005

[36] Hai Lin; Yamashita, K., "Subcarrier allocation based compensation for carrier frequency offset and I/Q imbalances in OFDM systems," Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.8, no.1, pp.18,23, Jan. 2009

Требования к базополосным ЦАП и АЦП

[37] Suno-Won Chung; Seung-Yoon Lee; Kyu-Ho Park, "An energy-efficient OFDM ultra-wideband digital radio architecture," Signal Processing Systems, 2004. SIPS 2004. IEEE Workshop on, vol., no., pp.211, 216, 13-15 Oct. 2004

Требования к RF ЦАП и АЦП; и к RF нелинейностям

[38] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, AG., "Effects of bandpass sigma-delta modulation on OFDM signals," Consumer Electronics, IEEE Transactions on , vol.45, no.2, pp.318,326, May 1999

[39] Maurer, L.; Schelmbauer, W.; Pretl, H.; Springer, A; Adler, B.; Boos, Z.; Weigel, R., "Influence of receiver front end nonlinearities on W-CDMA signals," Microwave Conference, 2000 Asia-Pacific, vol., no., pp.249, 252, 2000

[40] Kitaek Bae; Changyong Shin; Powers, E.J., "Performance Analysis of OFDM Systems with Selected Mapping in the Presence of Nonlinearity," Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.12, no.5, pp.2314,2322, May 2013

[41] Mahim Ranjan; Larson, L.E., "Distortion Analysis of Ultra-Wideband OFDM Receiver Front-Ends," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.54, no.12, pp.4422, 4431, Dec. 2006

Агрегация несущих для LTE-advanced; широкополосные спектральные требования

[42] Pedersen, K.I; Frederiksen, F.; Rosa, C.; Nguyen, H.; Garcia, L.G.U.; Yuanye Wang, "Carrier aggregation for LTE-advanced: functionality and performance aspects," Communications Magazine, IEEE , vol.49, no.6, pp.89,95, June 2011