Ai đó có thể giải thích IQ (bậc hai) có nghĩa là gì về SDR không?


31

Đây là một chút câu hỏi cơ bản, nhưng tôi gặp khó khăn trong việc hiểu tại sao tín hiệu cần được chia thành các thành phần I và Q để hữu ích cho radio được xác định bằng phần mềm (SDR).

Tôi hiểu rằng các thành phần I và Q là cùng một tín hiệu, chỉ lệch pha 90 độ, nhưng tôi không hiểu tại sao điều này lại quan trọng. Tại sao bạn không thể số hóa một tín hiệu? Tại sao bạn cần một tín hiệu rõ ràng giống hệt nhau lệch pha 90 độ? Và nếu bạn cần tín hiệu thứ hai này, tại sao bạn không thể tự tạo tín hiệu (ví dụ như trong phần mềm) bằng cách trì hoãn tín hiệu đầu tiên?

Tất cả những gì tôi có thể nhận ra là vì một lý do nào đó cần thực hiện giải điều chế kiểu FM trong phần mềm, nhưng tôi không thể tìm thấy bất cứ điều gì ở bất cứ đâu để giải thích nhu cầu là gì, và tại sao việc giải điều chế này không thể thực hiện được nếu không có cả hai thành phần I và Q.

Có ai có thể làm sáng tỏ điều này? Wikipedia không đặc biệt hữu ích, với mỗi trang có một liên kết thay cho lời giải thích và mỗi liên kết chỉ đến trang tiếp theo trong một vòng lặp vô tận.

Câu trả lời:


22

Các thành phần I và Q không cùng tín hiệu; chúng là các mẫu của cùng một tín hiệu được lấy 90 độ lệch pha và chúng chứa các thông tin khác nhau. Đó là một sự khác biệt tinh tế, nhưng quan trọng.

Tách I và Q theo cách này cho phép bạn đo pha tương đối của các thành phần của tín hiệu. Điều này rất quan trọng không chỉ đối với giải điều chế FM (và PM), mà còn đối với bất kỳ tình huống nào khác mà bạn cần phân biệt nội dung của các dải biên trên và dưới của sóng mang (ví dụ: SSB).

Bất cứ khi nào chuyển đổi tần số (dị vòng) xảy ra trong SDR (đặc biệt là ở mặt trước tương tự), các thành phần I và Q được xử lý khác nhau. Hai bản sao của bộ dao động cục bộ được tạo ra, một độ trễ 90 độ so với cái kia và chúng được trộn riêng với I và Q. Điều này bảo tồn các mối quan hệ pha thông qua chuyển đổi.

CHỈNH SỬA:

Tất cả điều này thực sự có nghĩa là bạn đang lấy mẫu tín hiệu ở tốc độ đủ cao để nắm bắt tất cả thông tin bên lề ở cả hai phía của nhà mạng. Tôi và Q thực sự chỉ là một quy ước công chứng làm cho công việc toán học trở nên sạch sẽ hơn một chút. Nó trở nên phù hợp nhất nếu bạn kết thúc việc truyền tín hiệu trực tiếp xuống băng tần cơ sở (phát hiện đồng bộ). Nếu bạn không bảo toàn cả I và Q, hai dải âm thanh được xếp chồng lên nhau (một dạng răng cưa) và bạn không còn có thể giải mã tín hiệu FM, PM hoặc QAM.


3
Cảm ơn đã giải thích, nhưng tôi vẫn không rõ ràng. Làm thế nào để bạn "lấy mẫu tín hiệu lệch pha 90 độ"? Bạn có nghĩa là một mẫu thứ hai được thực hiện, bị trì hoãn bởi một số lượng thời gian? Làm thế nào để có I và Q cho phép bạn đo pha tương đối, trái ngược với việc xem xét một vài mẫu trước đó để xem dạng sóng đang diễn ra như thế nào? Bạn có ý nghĩa gì khi "duy trì mối quan hệ pha thông qua chuyển đổi"? Điều gì xảy ra nếu mối quan hệ pha không được bảo tồn? Và có phải là một tín hiệu duy nhất gây ra điều này?
Malvineous

Xem chỉnh sửa của tôi. Hy vọng, nó trả lời một số câu hỏi bổ sung của bạn.
Dave Tweed

Cảm ơn! Thật không may, vẫn còn một chút vẫy tay đang diễn ra :-) Vậy ý bạn là nếu bạn 'dị tính' ở phía phần mềm, để đặt tín hiệu mục tiêu của bạn ở dải tần cơ sở, đó là nơi bạn cần cả I và Q? Tại sao các sidebands được gấp lại? Có phải bởi vì một dải tần cuối cùng bị dịch chuyển sang tần số âm, sau đó xuất hiện dưới dạng tần số dương với sự dịch pha, loại bỏ dải tần khác? Có lẽ điều này giải thích tại sao tôi đọc những điều về tín hiệu I và Q đôi khi có các thành phần tưởng tượng.
Malvineous

Vâng, đó là khá nhiều trong một tóm tắt.
Dave Tweed

1
"Hai bản sao của bộ tạo dao động cục bộ được tạo ra, một độ trễ 90 độ so với cái kia và chúng được trộn riêng với I và Q. Điều này bảo tồn các mối quan hệ pha thông qua chuyển đổi." Hai bản sao không được trộn lẫn với I và Q, nhưng với tín hiệu đầu vào. Hai tín hiệu thu được sau khi trộn là In-phase và Quadrature (trộn với tín hiệu tham chiếu dịch chuyển 90 độ). Sử dụng chúng biên độ và pha có thể được tìm thấy:
A=I2+Q2ϕ=arctan(QI)
Ignas St.

9

Nó liên quan đến tốc độ lấy mẫu và cách đồng hồ lấy mẫu (bộ dao động cục bộ hoặc LO) liên quan đến tần số tín hiệu quan tâm.

Tốc độ tần số Nyquist gấp hai lần tần số (hoặc băng thông) cao nhất trong quang phổ được lấy mẫu (để ngăn răng cưa) của tín hiệu dải tần gốc. Nhưng trong thực tế, với các tín hiệu có độ dài hữu hạn và do đó, các tín hiệu được phân tách hoàn hảo về mặt toán học (cũng như nhu cầu tiềm năng đối với các bộ lọc không tường gạch có thể thực hiện được), tần số lấy mẫu cho DSP phải cao hơn gấp đôi tần số tín hiệu cao nhất . Do đó, việc nhân đôi số lượng mẫu bằng cách nhân đôi tỷ lệ mẫu (2X LO) vẫn còn quá thấp. Tăng gấp bốn lần tốc độ mẫu (4X LO) sẽ đưa bạn lên cao hơn tốc độ Nyquist, nhưng sử dụng tốc độ mẫu tần số cao hơn đó sẽ tốn kém hơn về các thành phần mạch, hiệu suất ADC, tốc độ dữ liệu DSP, megaflop, v.v.

Vì vậy, lấy mẫu IQ thường được thực hiện với một bộ dao động nội tại (hoặc tương đối gần) tần số tương tự như tín hiệu hoặc tần số ban nhạc quan tâm, mà rõ ràng là cách quá thấp một tần số lấy mẫu (đối với tín hiệu baseband) theo Nyquist. Một mẫu trên mỗi chu kỳ của sóng hình sin có thể là tất cả ở giao điểm 0 hoặc tất cả ở đỉnh hoặc tại bất kỳ điểm nào ở giữa. Bạn sẽ học được hầu như không có gì về tín hiệu hình sin được lấy mẫu như vậy. Nhưng hãy gọi nó, gần như vô dụng, tập hợp các mẫu là I của một bộ mẫu IQ.

Nhưng làm thế nào về việc tăng số lượng mẫu, không chỉ đơn giản là tăng gấp đôi tốc độ mẫu, mà bằng cách lấy thêm một mẫu sau một mẫu đầu tiên sau mỗi chu kỳ. Hai mẫu trên mỗi chu kỳ cách nhau một chút sẽ cho phép người ta ước tính độ dốc hoặc đạo hàm. Nếu một mẫu ở mức 0 vượt qua thì mẫu bổ sung sẽ không có. Vì vậy, bạn sẽ tốt hơn nhiều trong việc tìm ra tín hiệu được lấy mẫu. Hai điểm, cộng với kiến ​​thức rằng tín hiệu quan tâm gần như định kỳ ở tốc độ mẫu (do giới hạn băng tần) thường đủ để bắt đầu ước tính các ẩn số của phương trình sin chính (biên độ và pha).

Nhưng nếu bạn đi quá xa với mẫu thứ hai, đến nửa chừng giữa bộ mẫu đầu tiên, bạn sẽ gặp vấn đề tương tự như lấy mẫu 2X (một mẫu có thể ở mức 0 dương, mẫu kia ở mức âm, cho bạn biết không có gì). Đó là vấn đề tương tự như 2X là tỷ lệ mẫu quá thấp.

Nhưng đâu đó giữa hai mẫu của bộ đầu tiên (bộ "tôi") có một điểm ngọt ngào. Không dư thừa, như với lấy mẫu cùng một lúc và không cách đều nhau (tương đương với nhân đôi tốc độ mẫu), có một phần bù cung cấp cho bạn thông tin tối đa về tín hiệu, với chi phí là độ trễ chính xác cho mẫu bổ sung thay thế của một tỷ lệ mẫu cao hơn nhiều. Hóa ra độ trễ đó là 90 độ. Điều đó cung cấp cho bạn một bộ mẫu "Q" rất hữu ích, cùng với bộ "I", cho bạn biết nhiều hơn về một tín hiệu hơn là một mình. Có lẽ đủ để giải điều chế AM, FM, SSB, QAM, v.v., trong khi lấy mẫu phức tạp hoặc IQ ở tần số sóng mang, hoặc rất gần, thay vì cao hơn nhiều so với 2X.

Thêm:

Độ lệch chính xác 90 độ cho bộ mẫu thứ hai cũng tương ứng với một nửa các vectơ cơ sở thành phần trong DFT. Một bộ đầy đủ được yêu cầu để thể hiện đầy đủ dữ liệu không đối xứng. Thuật toán FFT hiệu quả hơn thường được sử dụng để xử lý tín hiệu rất nhiều. Các định dạng lấy mẫu không IQ khác có thể yêu cầu xử lý trước dữ liệu (ví dụ: điều chỉnh bất kỳ sự mất cân bằng IQ nào theo pha hoặc tăng) hoặc sử dụng các FFT dài hơn, do đó có khả năng kém hiệu quả hơn đối với một số cách lọc hoặc giải điều chế thường được thực hiện trong điển hình Xử lý SDR dữ liệu IF.

Thêm:

Cũng lưu ý rằng băng thông thác của tín hiệu IQ SDR, có vẻ như băng rộng, thường hẹp hơn một chút so với IQ hoặc tốc độ mẫu phức tạp, mặc dù tần số trung tâm heterodyne trước phức tạp có thể cao hơn nhiều so với tốc độ mẫu IQ . Vì vậy, tỷ lệ thành phần (2 thành phần trên một mẫu phức hoặc đơn IQ), gấp đôi tốc độ IQ, kết thúc cao hơn gấp đôi băng thông quan tâm, do đó tuân thủ lấy mẫu Nyquist.

Thêm:

Bạn không thể tự tạo tín hiệu cầu phương thứ hai bằng cách trì hoãn đầu vào, bởi vì bạn đang tìm kiếm sự thay đổi giữa tín hiệu và tín hiệu 90 độ sau đó. Và sẽ không thấy bất kỳ thay đổi nào nếu bạn sử dụng hai giá trị giống nhau. Chỉ khi bạn lấy mẫu ở hai thời điểm khác nhau, hơi bù.


Đây là sai lầm. Cả lấy mẫu đơn thành phần ở tốc độ gấp đôi và lấy mẫu IQ đều liên quan đến việc lấy cùng một lượng mẫu và có thể biểu thị cùng một băng thông mà không có sự mơ hồ. Tuy nhiên, các công nghệ thực hiện khác nhau có thể làm cho một cách tiếp cận hoặc cách khác hấp dẫn hơn.
Chris Stratton

Tuyên bố đầu tiên, không đồng ý (cho tất cả các mục đích thực tế). Về mặt lý thuyết cho các tín hiệu được phân tách hoàn hảo về mặt toán học, có lẽ. Thực tế, không. Lấy mẫu tốc độ 2X nhạy hơn với nhiễu và lượng tử hóa (và khác). Do đó, tuyên bố sau tôi đồng ý với.
hotpaw2

Sai lầm của bạn là ở chỗ nghĩ rằng lấy mẫu 2 lần là không đủ, lấy mẫu 1x IQ sẽ là. Không có bữa trưa miễn phí.
Chris Stratton

2
Câu trả lời này là tuyệt vời, thực sự, cách tốt hơn so với câu trả lời được chọn. Tôi đã đọc câu trả lời ưa thích mà OP đã chọn và không có manh mối nào tốt hơn vì TẠI SAO cần có 2 mẫu được lấy cách nhau 90 độ. Tuy nhiên, sau khi đọc câu trả lời này, tôi thấy rõ mẫu thứ 2 bị trễ 90 độ là hữu ích và cho phép bạn có thêm thông tin. Câu trả lời này không xứng đáng với downvote, vì vậy tôi đưa ra một upvote ở đây.
Brian Onn

1
Nếu chúng ta có thể xem xét các ứng dụng lấy mẫu và lấy mẫu IF (phổ biến trong SDR), thì ở trên sẽ đọc đúng hơn là "Tần số lấy mẫu cho DSP phải cao hơn hai lần băng thông tín hiệu cao nhất" (không giống với mức cao nhất tần số tín hiệu).
Dan Boschen

8

Đây thực sự là một chủ đề đơn giản mà hầu như không ai giải thích rõ. Đối với bất kỳ ai đấu tranh để hiểu điều này, hãy xem video của W2AEW, http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . Chỉ trong 16 phút, anh ta đi từ súp đến các loại hạt, thậm chí còn đưa ra các bản demo bằng máy hiện sóng và một mạch anh ta tạo ra.


Wow đó thực sự là một video rất nhiều thông tin. Thật không may, ông chủ yếu tập trung vào điều chế, trong khi câu hỏi của tôi chủ yếu là về giải điều chế. Anh ta chạm vào cái này ở cuối, và có vẻ như nó có liên quan đến các bộ dao động cục bộ lệch pha 90 độ. Có lẽ một ngày nào đó sẽ có người tìm ra cách giải thích cách thức hoạt động của bit đó! Tôi vẫn không biết làm thế nào một thiết bị kỹ thuật số có thể lấy mẫu ở một khoảng thời gian đã đặt và tuy nhiên đó là cách lệch pha 90 độ cho cả tín hiệu 1 MHz và tín hiệu 2 MHz!
Malvineous

2

IQchỉ đơn giản là một cách khác nhau để thể hiện tín hiệu. Bạn nghĩ về một tín hiệu là một sóng hình sin, được điều chế dọc theo biên độ, tần số hoặc pha của nó.

Sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng vector. Nếu bạn nhớ các vectơ trong lớp vật lý, bạn có xu hướng làm việc với xycác thành phần của vectơ đó (thêm các vectơ x'svà nhau y's). Đó là những gì IQvề cơ bản là X(inphase - I) và Y(Quadrature - Q).

Khi bạn biểu diễn sóng hình sin giống như một vectơ và tạo sẵn IQ, phần mềm có thể thực hiện phép toán để giải điều chế tín hiệu sẽ dễ dàng hơn nhiều. Máy tính của bạn có chip chuyên dụng - card đồ họa và card âm thanh là VECTORbộ xử lý - có thêm các thanh ghi để giữ xycác thành phần để tính toán nhanh chóng.

Đây là lý do tại sao SDRmuốn IQ. IQcho phép các bộ xử lý vector trên máy tính của bạn thực hiện giải điều chế nhanh chóng và hiệu quả.


@DanielGrillo - thực sự không cần thiết phải làm nổi bật các thuật ngữ đơn giản trong suốt bài đăng của người khác.
Chris Stratton

@ChrisStratton Câu trả lời này nằm trong danh sách Đánh giá câu trả lời muộn của tôi . Tôi vừa mới làm điều này bởi vì nó ở đó. Tôi chỉ cố gắng để giúp đỡ.
Daniel Grillo

Cảm ơn câu trả lời. Điều này giúp giải thích cách tôi và Q được sử dụng, nhưng không thực sự chúng là gì, đó là mấu chốt của câu hỏi. Nói rằng chúng là các thành phần của một vectơ chỉ đẩy câu hỏi trở lại lý do tại sao đại diện cho một tín hiệu với các vectơ và một trong những vectơ này sẽ chỉ đến điều gì?
Malvineous
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.