Tại sao máy thu SDR phát ra mẫu I / Q?

Theo hiểu biết của tôi, các máy thu phần cứng cho các ứng dụng vô tuyến được xác định bằng phần mềm về cơ bản lấy tín hiệu đầu vào, trộn nó với tần số điều chỉnh để loại bỏ tần số sóng mang và sau đó lấy mẫu điện áp kết quả với tốc độ lấy mẫu đủ cao cho băng thông của tín hiệu tải . Họ phát ra các mẫu đó đến phần mềm giải điều chế dưới dạng các cặp giá trị I / Q. Tôi giả sử họ có được giá trị Q bằng cách lấy một chu kỳ mẫu (liên quan đến tần số điều chỉnh) sau đó, nhân đôi hiệu quả tốc độ mẫu. $1/4$

Tại sao họ sử dụng đại diện I / Q?

Tôi có thể thấy I / Q là một đại diện đẹp (trong phần cứng) khi tổng hợp tín hiệu vì bạn có thể thực hiện điều chế tần số hoặc pha chỉ bằng cách thay đổi biên độ, nhưng lý do này dường như không áp dụng cho trường hợp máy thu SDR.

Vì vậy, có bất cứ điều gì đạt được bằng cách sử dụng I / Q cho đầu ra thay vì I với tốc độ lấy mẫu gấp đôi? Hay đó chỉ là vấn đề quy ước?

modulation quadrature sdr

— AndreKR
nguồn

@Gilles Tôi quay lại chỉnh sửa của bạn. Đó thực sự chỉ là một câu hỏi được đặt ra theo nhiều cách cho rõ ràng, phong cách chúng như một bảng liệt kê không có ý nghĩa với tôi.

— AndreKR

Tôi đã trả lời một câu hỏi tương tự ở đây: Electronics.stackexchange.com/questions/39796/ory

— hotpaw2

Câu trả lời:

SDR (hoặc bất kỳ hệ thống xử lý tín hiệu số chung nào) nhận tín hiệu RF nhận được và chuyển đổi nó từ tần số sóng mang sang băng tần cơ sở.

Bây giờ, tín hiệu băng thông thực từ ăng-ten không nhất thiết phải có phổ đối xứng xung quanh tần số sóng mang, nhưng nó có thể tùy ý. Nếu bây giờ bộ chuyển đổi hạ tần chuyển phổ sang tần số trung tâm, tín hiệu miền thời gian tương ứng sẽ trở nên phức tạp. Vì vậy, các mẫu I và Q bạn nhận được từ SDR là phần thực và ảo của tín hiệu băng cơ sở phức tạp, tương ứng với tín hiệu băng thông thực của bạn xung quanh tần số sóng mang.

Nhiều chi tiết hơn có thể được tìm thấy tại trang wikipedia để chuyển đổi xuống số .

Để trả lời câu hỏi của bạn:

Biểu diễn I / Q không tương ứng với các điểm lấy mẫu khác nhau của tín hiệu. Thay vào đó, nó tương ứng với phần thực và phần ảo của tín hiệu băng cơ sở có giá trị phức tạp kỹ thuật số. Những phần này thu được bằng cách nhân riêng tín hiệu RF với sin và cos và lấy mẫu cả hai luồng sau khi lọc thông thấp.

Lấy mẫu với tần số kép có thể mang lại thông tin giống như I / Q. Sẽ không cần thiết phải đồng bộ hóa tín hiệu tới để có được tất cả thông tin có trong tín hiệu IQ cơ sở ở tín hiệu băng thông ở (trong đó là tốc độ lấy mẫu). $f_s/4$ $f_s/4$ $f_s$

— Maximilian Matthé
nguồn

Câu trả lời tốt. Chỉ cần làm rõ, tôi nghĩ bạn có thể mang lại những thông tin chính xác cùng với lấy mẫu với tần suất gấp đôi, nếu bạn cho phép các tín hiệu trong chỉ số IQ ở baseband với tốc độ lấy mẫu để tồn tại khi lấy mẫu tại (nói cách khác tỷ lệ 1 / 4 của tỷ lệ lấy mẫu mới). Bạn có đồng ý không?

F_{s}

$F_s$

F_{s} / 2

$F_s/2$

2 F_{s}

$2F_s$

— Dan Boschen

@DanBoschen Tôi tin rằng bạn không nhận được thông tin tương tự khi bạn lấy mẫu với tần số gấp đôi từ chỉ một luồng (ví dụ: nhân với một sin). Điều này sẽ vẫn chỉ mang lại tín hiệu băng cơ sở có giá trị thực với tốc độ lấy mẫu gấp đôi, tương ứng với phần chẵn của phổ dải cơ sở. Tuy nhiên, phần lẻ (tức là tín hiệu băng cơ sở tưởng tượng) không có sẵn.

— Maximilian Matthé

Hãy xem xét rằng bạn có thể có cùng phổ chính xác ở fs / 4 mà bạn có thể có ở dải tần cơ sở (có nghĩa là phần dương trên fs / 4 không cần phải khớp với phần "âm" trong trường hợp này sẽ nằm dưới fs / 4). Nếu bạn nghĩ về nó, điều này không khác gì có tín hiệu thực ở ăng-ten (hoặc sóng mang) đại diện cho tín hiệu IQ cơ sở tại DC. Mặc dù tôi không có bằng chứng toán học, nhưng đó là suy nghĩ và hồi ức của tôi.

— Dan Boschen

Xem xét ví dụ này: Một tín hiệu phức tạp ở dải tần cơ sở nằm trong dải nhỏ hơn +/- Fs / 2, được lấy mẫu ở mức 2Fs. Nó rất phức tạp và phổ dương của nó từ DC đến Fs / 2 không giống với phổ âm của nó từ -Fs / 2 đến DC (và do đó yêu cầu hai tín hiệu thực cho dù đó là I và Q hay Độ lớn và Pha để biểu thị nó). Bây giờ xoay phổ đó bằng cách nhân với . Trong đó n là số mẫu. Kết quả sẽ chuyển phổ thành + Fs / 4, không có phổ ở nửa âm, nhưng không có thay đổi nào khác. Bây giờ lấy phần thực.

e^{j n w π / 2}

$e^{jnw \pi/2}$

— Dan Boschen

Bằng cách lấy phần thực của tín hiệu phức tạp được mô tả ở trên, một hình ảnh âm sẽ xuất hiện (Liên hợp phức tạp) và tín hiệu gốc sẽ được thu nhỏ nhưng không thay đổi. Ngoài hệ số tỷ lệ, tín hiệu ở fs / 4 giống hệt với tín hiệu băng cơ sở mà chúng tôi bắt đầu; tất cả các thông tin còn nguyên vẹn! (Giống như khi chúng ta di chuyển tín hiệu đến tần số sóng mang cũng là thực). Bạn có thấy một lỗ hổng trong suy nghĩ của tôi? (Tôi cũng KHÔNG ngụ ý sử dụng "cùng" tôi chỉ bằng hai lần tốc độ lấy mẫu, nhưng có nghĩa là chỉ sử dụng I là một luồng dữ liệu có giá trị thực duy nhất).

— Dan Boschen

Có thể có một vài lý do.

Xử lý máy tính:

Một lý do để sử dụng dữ liệu IQ để xử lý SDR là để giảm tốc độ xử lý tính toán (sử dụng bộ xử lý công suất chậm hơn hoặc thấp hơn) để trực quan hóa (panad CHƯƠNG) hoặc giải điều chế mà không cần thêm bước chuyển đổi. Nhiều sơ đồ điều chế có sidebands không đối xứng. Tín hiệu IQ có thể mang thông tin rõ ràng về cả hai dải âm xung quanh DC (0 Hz) ( xem giải thích tại đây), có nghĩa là tốc độ xử lý có thể rất gần với DC (0 Hz + băng thông tín hiệu + biên an toàn chuyển tiếp lọc), trái với tần số sóng mang trên hai lần (cộng với băng thông tín hiệu, dải chuyển tiếp bộ lọc, v.v.). Trên thực tế, một số mô-đun SDR (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3, v.v.) tạo dữ liệu IQ vào giao diện âm thanh nổi trên PC (do đó cho phép xử lý ở tốc độ dữ liệu âm thanh rất thấp so với sóng mang VHF / HF RF hoặc HF / LF IF cao hơn nhiều tần số).

Phần cứng vô tuyến:

Để xử lý với một luồng dữ liệu kênh đơn lẻ đòi hỏi tốc độ xử lý rất cao (trên 2 lần sóng mang RF, sử dụng một GPU, v.v.) hoặc một số cách để loại bỏ hình ảnh hoặc răng cưa trước khi ghép xuống / đảo ngược, thường là bằng cách bổ sung chuyển đổi hoặc trộn bước (hoặc nhiều hơn) thành tần số IF, cộng với một hoặc nhiều bộ lọc khử răng cưa liên quan để loại bỏ hình ảnh. Do đó, luồng dữ liệu thực đơn tốc độ 2X thường yêu cầu thêm một giai đoạn IF (và / hoặc bộ lọc băng thông tần số cao rất hẹp, thường là tinh thể hoặc SAW) để thực hiện việc này so với việc tạo ra luồng dữ liệu IQ tốc độ 1X. Một giai đoạn IF bổ sung thường đòi hỏi một bộ tạo dao động và bộ trộn bổ sung. Trong khi đó, việc chuyển đổi trực tiếp sang dữ liệu IQ có thể được thực hiện mà không cần bộ lọc thông dải tần số cao hoặc bộ lọc lợp để loại bỏ hình ảnh.

Bộ tạo dao động chuyển hướng xuống có thể được đặt ở giữa (hoặc gần như vậy) trên sóng mang tín hiệu quan tâm (hoặc RF hoặc IF), hoặc bội số thấp, thay vì được bù hoặc cao hơn nhiều. Điều này có thể làm cho việc theo dõi, khóa pha hoặc đồng bộ hóa bộ tạo dao động này đơn giản hơn và do đó cho phép việc đọc tần số và / hoặc phát tín hiệu thu phát trở nên đơn giản hơn trong phần cứng vô tuyến tối thiểu.

Phần cứng chuyển đổi:

Trong phần cứng, có thể dễ dàng hơn hoặc rẻ hơn khi thực hiện 2 ADC với tốc độ mẫu thấp hơn, 1 ADC ở tốc độ mẫu cao hơn. Chẳng hạn, bạn có thể sử dụng thẻ âm thanh nổi với tốc độ mẫu 44,1k (hoặc 192k), thay vì thẻ âm thanh đắt hơn với tốc độ mẫu 96k (hoặc 384k), cho khả năng băng thông tín hiệu gần như tương tự.

Kích thước bảng phấn:

Các luồng mẫu IQ (được tạo bởi hai kênh pha trộn và / hoặc lấy mẫu pha 90 độ) cũng tương ứng chặt chẽ với các tín hiệu phức tạp toán học (với các thành phần thực và ảo), giúp dễ dàng hơn khi nghĩ hai kênh dữ liệu thực là một kênh của một biểu diễn toán học phức tạp. Điều này làm cho các thuật toán toán học nhất định (DFT / FFT, giải điều chế phong bì phức tạp, v.v.) được áp dụng trực tiếp hơn (và, như đã đề cập ở trên, với tốc độ xử lý băng cơ sở) với ít hoạt động toán học bổ sung (bù đắp hoặc chuyển đổi, v.v.)

Một lời giải thích hoặc mô tả về các thuật toán DSP sử dụng toán học phức tạp này thường yêu cầu viết ít hơn trên bảng phấn trong lớp học so với giải thích tương đương bằng cách sử dụng biểu diễn tỷ lệ mẫu cao hơn không phức tạp (theo ý kiến của nhiều người.) Giải thích IQ đôi khi dịch trực tiếp sang ít mã hơn (tùy thuộc vào ngôn ngữ máy tính HLL ở các loại dữ liệu được hỗ trợ của nó) hoặc các khối tính toán ít hơn (sử dụng công cụ thiết kế đường dẫn tín hiệu đồ họa) là các ứng dụng SDR.

Đánh đổi:

Dĩ nhiên, nhược điểm là cần phải tạo ra sự dịch pha 90 độ chính xác, 2 ADC thay vì một và các phép nhân phức tạp (số nhân phần cứng 4X hoặc OP chỉ dẫn) thay vì một phép nhân cho mỗi mẫu (thực hoặc IQ), cho các hoạt động tương tự .

— hotpaw2
nguồn

Để làm rõ, thế hệ quad thường không được thực hiện trong tương tự, do đó sẽ loại bỏ nhiều nhược điểm của bạn. SDR vẫn có thể "phát ra" khi áp phích lấy mẫu IQ cho phần mềm giải điều chế hơn nữa mà không phải thực hiện lấy mẫu phức tạp. Phần còn lại của lời giải thích của bạn là rất tốt, bao gồm cả quan điểm về việc đại diện thanh lịch hơn nhiều. Tôi đã tuyên bố khi mô tả điều này với các kỹ sư phần cứng rằng nó "mất hai đầu dò phạm vi để theo dõi tín hiệu phức tạp!", Nghĩa là thật đơn giản để mô tả hệ thống bằng cách sử dụng hàm mũ nhưng sau đó chúng ta cần I và Q để thực hiện nó.

— Dan Boschen

Một bộ mã hóa có thể dịch chuyển hai tín hiệu băng cơ sở thành hình cầu, sau đó tách chúng ra sau, tạo hiệu ứng âm thanh nổi cho tín hiệu tải trọng, dải cơ sở, nói trái và phải?

— Johanthan Edwards
nguồn