Perché i ricevitori SDR emettono campioni I / Q?

Per quanto ne so, i ricevitori hardware per applicazioni radio definite dal software fondamentalmente prendono il segnale in ingresso, lo mescolano con la frequenza di sintonizzazione per rimuovere la frequenza portante e quindi campionano la tensione risultante con una frequenza di campionamento che è appena abbastanza alta per la larghezza di banda del segnale del payload . Emettono questi campioni al software di demodulazione sotto forma di coppie di valori I / Q. Suppongo che ottengano il valore Q prendendo un altro campione ciclo (rispetto alla frequenza di sintonia) in seguito, raddoppiando effettivamente la frequenza di campionamento. $1/4$

Perché usano la rappresentazione I / Q?

Posso vedere come I / Q sia una bella rappresentazione (in hardware) quando sintetizza segnali perché puoi ad esempio fare la modulazione di frequenza o di fase semplicemente variando ampiezze, ma questo motivo non sembra applicarsi al caso dei ricevitori SDR.

Quindi, si ottiene qualcosa usando I / Q per l'output anziché I con una frequenza di campionamento doppia? O è solo una questione di convenzioni?

modulation quadrature sdr

— AndreKR
fonte

@Gilles Ho ripristinato la tua modifica. È davvero solo una domanda formulata in vari modi per chiarezza, designarli come un elenco non ha senso per me.

— AndreKR,

Ho risposto a una domanda simile qui: electronics.stackexchange.com/questions/39796/…

— hotpaw2

Risposte:

L'SDR (o qualsiasi altro sistema generale di elaborazione del segnale digitale) prende il segnale RF ricevuto e lo converte dalla frequenza portante alla banda base.

Ora, il vero segnale passa-banda dall'antenna non ha necessariamente uno spettro simmetrico attorno alla frequenza portante, ma può essere arbitrario. Se il downconverter sposta ora lo spettro sulla frequenza centrale, il segnale nel dominio del tempo corrispondente diventa complesso. Quindi, i campioni I e Q che si ottengono dall'SDR sono la parte reale e immaginaria del complesso segnale in banda base, che corrisponde al segnale reale in banda passante attorno alla frequenza portante.

Maggiori dettagli possono essere trovati ad esempio sul sito di Wikipedia per la conversione digitale verso il basso .

Per rispondere alla tua domanda:

La rappresentazione I / Q non corrisponde a diversi punti di campionamento del segnale. Invece, corrisponde alla parte reale e immaginaria del segnale in banda base digitale a valore complesso. Queste parti sono ottenute moltiplicando separatamente il segnale RF con un seno e un coseno e campionando entrambi i flussi dopo il filtro passa-basso.

Il campionamento con doppia frequenza può produrre le stesse informazioni di I / Q. Sarebbe necessario omodificare il segnale a per ottenere tutte le informazioni che sarebbero state nel segnale IQ in banda base per essere nel segnale in (dove è la frequenza di campionamento). $f_s/4$ $f_s/4$ $f_s$

— Maximilian Matthé
fonte

Buona risposta. Giusto per chiarire, penso che puoi fornire esattamente le stesse informazioni con il campionamento con una doppia frequenza, se permetti che il segnale in QI in banda base con frequenza di campionamento esista a durante il campionamento a (in altre parole 1 / 4 della nuova frequenza di campionamento). Sei d'accordo?

F_{s}

$F_s$

F_{s} / 2

$F_s/2$

2 F_{s}

$2F_s$

— Dan Boschen,

@DanBoschen Credo che non si ottengano le stesse informazioni quando si esegue il campionamento con doppia frequenza da un solo flusso (ad esempio il moltiplicato per un seno). Ciò produrrà comunque un segnale in banda base con valori reali con doppia frequenza di campionamento, che corrisponde alla parte uniforme dello spettro in banda base. Tuttavia, la parte dispari (cioè il segnale immaginario in banda base) non è disponibile.

— Maximilian Matthé,

Considera che puoi avere lo stesso spettro esatto in fs / 4 che puoi avere in banda base (il che significa che la porzione positiva sopra fs / 4 non deve necessariamente corrispondere alla porzione "negativa" che in questo caso sarebbe inferiore a fs / 4). Se ci pensate, questo non è diverso dall'avere il segnale reale sull'antenna (o vettore) che rappresenta il segnale IQ in banda base su DC. Anche se non ho elaborato matematicamente la prova, ma questo è il mio pensiero e il mio ricordo.

— Dan Boschen,

Considera questo esempio: un segnale complesso nella banda base che è nella banda inferiore a +/- Fs / 2, campionato a 2Fs. È complesso e il suo spettro positivo da DC a Fs / 2 non è lo stesso del suo spettro negativo da -Fs / 2 a DC (e quindi richiede due segnali reali che siano I e Q o Magnitude e Phase per rappresentarlo). Ora ruota quello spettro moltiplicando per . dove n è il conteggio dei campioni. Il risultato avrà spostato lo spettro su + Fs / 4, senza spettro nella metà negativa, ma senza altri cambiamenti. Ora prendi la parte reale.

e^{j n w π / 2}

$e^{jnw \pi/2}$

— Dan Boschen,

Prendendo la parte reale del segnale complesso sopra descritto, apparirà un'immagine negativa (Coniugato complesso) e il segnale originale sarà ridimensionato, ma altrimenti rimarrà invariato. A parte un fattore di ridimensionamento, il segnale che era a fs / 4 è identico al segnale in banda base con cui abbiamo iniziato; tutte le informazioni sono intatte! (Proprio come quando spostiamo il segnale sulla frequenza portante che è anche reale). Vedi un difetto nel mio pensiero? (NON intendo nemmeno usare lo "stesso" I come solo il doppio della frequenza di campionamento, ma intendo usare solo I che è un singolo flusso di dati con valori reali).

— Dan Boschen,

Ci possono essere diversi motivi.

Elaborazione al computer:

Un motivo per utilizzare i dati IQ per l'elaborazione SDR è quello di ridurre la velocità di elaborazione computazionale (per utilizzare un processore a potenza più bassa o più bassa) per la visualizzazione (panadapter) o la demodulazione senza un ulteriore passaggio di conversione. Molti schemi di modulazione hanno bande laterali asimmetriche. I segnali IQ possono trasportare informazioni non ambigue su entrambe le bande laterali attorno a CC (0 Hz) ( vedere la spiegazione qui), il che significa che la velocità di elaborazione può essere molto vicina alla corrente continua (0 Hz + larghezza di banda del segnale + margine di sicurezza della transizione del filtro), al contrario di due volte superiore alla frequenza portante (più larghezza di banda del segnale, banda di transizione del filtro, ecc.). In effetti, alcuni moduli SDR (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3, ecc.) Producono dati IQ in un'interfaccia audio stereo per PC (consentendo così l'elaborazione a velocità di dati audio molto basse rispetto a un vettore RF VHF / HF molto più alto o HF / LF IF frequenze).

Hardware radio:

Per eseguire l'elaborazione con un flusso di dati a canale singolo è necessaria una velocità di elaborazione molto elevata (superiore a 2 volte il vettore RF, utilizzando un FPGA, ecc.) O un modo per sbarazzarsi di immagini o aliasing prima del downsampling / downconversion, di solito mediante un ulteriore conversione o miscelazione di un passaggio (o più) in una frequenza IF, oltre a uno o più filtri anti-aliasing associati per il rifiuto dell'immagine. Pertanto, un singolo flusso di dati reali con velocità 2X richiede solitamente uno stadio IF aggiuntivo (e / o un filtro passa-banda ad alta frequenza molto stretto, spesso cristallo o SAW) per fare questo rispetto alla produzione di un flusso di dati IQ con velocità 1X. Uno stadio IF aggiuntivo di solito richiede anche un oscillatore e un mixer aggiuntivi. Considerando che la conversione diretta ai dati IQ può essere realizzata senza la necessità di un passa-banda ad alta frequenza o di un filtro di copertura per il rifiuto dell'immagine.

L'oscillatore di downconversion può essere centrato (o quasi) sul portatore del segnale di interesse (RF o IF) o un multiplo basso, anziché essere sfalsato o molto più alto. Ciò può semplificare il tracciamento, il blocco di fase o la sincronizzazione di questo oscillatore, e quindi la lettura della frequenza e / o la generazione del segnale del trasmettitore ricetrasmettitore saranno più semplici in un hardware radio minimo.

Hardware di conversione:

Nell'hardware, potrebbe essere più semplice o più economico implementare 2 ADC con una frequenza di campionamento inferiore, rispetto a 1 ADC con una frequenza di campionamento più alta. Ad esempio, è possibile utilizzare una scheda audio stereo con una frequenza di campionamento di 44.1k (o 192k), anziché una scheda audio più costosa con una frequenza di campionamento di 96k (o 384k), per quasi la stessa capacità di larghezza di banda del segnale.

Dimensione lavagna:

I flussi di campionamento IQ (creati da due canali di missaggio e / o campionamento sfasati di 90 gradi) corrispondono anch'essi strettamente a segnali matematici complessi (con componenti reali e immaginari), il che rende più facile pensare ai due canali di dati reali come a un canale di una rappresentazione matematica complessa. Ciò rende alcuni algoritmi matematici (DFT / FFT, demodulazione di inviluppo complessa, ecc.) Più direttamente applicabili (e, come menzionato sopra, a velocità di elaborazione in banda base) con meno operazioni matematiche aggiuntive (offset o ffthift, ecc.)

Una spiegazione o una descrizione di questi algoritmi DSP che utilizzano la matematica complessa di solito richiede meno scritture su una lavagna di classe rispetto a spiegazioni equivalenti che utilizzano una rappresentazione di frequenza di campionamento più elevata non complessa (oltre ad essere molto più elegante secondo l'opinione di molti). Questi complessi più semplici / Le spiegazioni del QI a volte si traducono direttamente in meno codice (a seconda del linguaggio informatico HLL nei suoi tipi di dati supportati), o meno blocchi computazionali (utilizzando uno strumento di progettazione del percorso del segnale grafico) sono applicazioni SDR.

compromessi:

Il rovescio della medaglia, ovviamente, è la necessità di un'accurata generazione di sfasamenti di 90 gradi, 2 ADC invece di uno e moltiplicazioni complesse (moltiplicatori hardware 4X o OP istruzioni) invece di una singola moltiplicazione per campione (reale o IQ), per operazioni simili .

— hotpaw2
fonte

Per chiarire, la generazione del quad spesso non viene eseguita nell'analogico, in modo da eliminare gran parte del rovescio della medaglia. L'SDR può ancora "emettere" come i poster IQ campioni per ulteriori software di demodulazione senza dover eseguire campionamenti complessi. Il resto della tua spiegazione è molto buona, compreso il punto in cui la rappresentazione è molto più elegante. Nel descrivere questo agli ingegneri hardware ho affermato che "occorrono due sonde per monitorare un segnale complesso!", Il che significa che è semplice ed elegante descrivere il sistema usando esponenziali ma allora abbiamo bisogno di io e Q per implementarlo.

— Dan Boschen,

Un encoder potrebbe spostare due segnali in banda base in quadratura e poi separarli in seguito, dando un effetto stereo al segnale del carico utile, banda base, dire sinistra e destra?

— Johanthan Edwards
fonte