Digital ou analógico? Como Devo Realizar a Combinação e Separação I e Q?

Como devo fazer a combinação I e Q? Por meios analógicos ou digitais? Este artigo discutirá os fundamentos das abordagens de QI analógico e digital.

Moduladores analógicos de IQ (para transmissores) e Demoduladores de IQ (para receptores) têm sido usados ​​por décadas ([1] a [3]).

Recentemente, foram introduzidos novos conversores A / D e D / A, que podem amostrar diretamente um IF de 1 a 4 GHz; amostragem na 2ª, 3ª e 4ª zonas de Nyquist ([4] a [7]). Estes, combinados com a lógica digital de maior velocidade, permitem que a combinação (para A / D) e a separação (para D / A) sejam feitas digitalmente ([8] a [21]). Isso é ilustrado na Figura 1 (a) (para um modulador) e na Figura 1 (b) (para um demodulador) com o Conversor de Dados (DAC ou ADC) na posição “D”.

Figura 1 (a). Modulador

Figura 1 (b). Demodulador

Por outro lado, combinadores e separadores analógicos integrados I, Q têm uma correspondência muito boa entre os caminhos I e Q, resolvendo algumas das objeções de fazer esses processos analogamente. A técnica analógica também requer duas vezes mais conversores de dados (A / Ds ou D / As) do que a amostragem direta em IF, mas eles funcionam com taxas de amostragem mais baixas; por isso são mais baratos e requerem menos energia. Isso é ilustrado na Figura 1 (a) (para um modulador) e na Figura 1 (b) (para um demodulador) com o Conversor de Dados (DAC ou ADC) na posição “A”.

O autor começa a pensar sobre essa questão. Ele pediu opiniões sobre vários grupos do LinkedIn e recebeu respostas valiosas. Com a aprovação dos reconhecidos, eles são reconhecidos a seguir. Ele também descobriu todas as informações que pôde sobre as propriedades dos circuitos integrados (ICs) contemporâneos para essas funções e os resultados de quaisquer requisitos de desempenho que foram determinados para esses ICs. A partir disso, ele tentou gerar quaisquer conclusões gerais que pudessem ser tiradas para responder à pergunta; “A modulação e demodulação do IQ deveria ser feita analógica ou digitalmente?”

Abordagem de QI analógico

A abordagem analógica de QI existe há décadas ([1] a [3]). Qualquer sinal IF ou RF pode ser representado por

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

onde f é a frequência da portadora, I (t) é chamado de componente em fase e Q (t) é chamado de componente de quadratura. Um modulador de IQ analógico pega os sinais de banda base I (t) e Q (t) e forma R (t). Isso é mostrado na Figura 1 (a) com os DACs na posição A. Um demodulador IQ analógico toma como entrada R (t) e as formas I (t) e Q (t). Isso é mostrado na Figura 1 (b) com os DACs na posição A.

Um problema crítico com a abordagem analógica é manter os ganhos através dos dois caminhos sendo idênticos e a diferença de fase em exatamente 90º. Às vezes negligenciados por esses requisitos são os dois filtros passa-baixo. Eles devem ter ganho e fase correspondentes para todas as frequências onde há energia de sinal significativa. A quantificação mais exata desses requisitos, e os prejuízos causados ​​por desvios deles, são mostrados em um artigo posterior.

Abordagem de QI digital

Desenvolvimentos recentes em conversores de dados de alta velocidade (DACs e ADCs), levaram as pessoas a evitar o problema de desequilíbrio de IQ discutido na seção Abordagem de IQ Analógico, implementando as funções de Modulador e Demodulador IQ digitalmente, onde o ganho e a fase podem ser produzidos sem erro ([5], [8] a [21]). Para o caso do modulador, há um DAC de alta velocidade na saída, conforme mostrado na Figura 1 (a) com o DAC na posição D. Para o caso do demodulador, há um ADC de alta velocidade na entrada, conforme mostrado na Figura 1 (b) com o ADC na posição B.

Freqüentemente, essas abordagens digitais tiram vantagem do efeito de aliasing, usando o que é chamado de amostragem passa-banda ([22] a [24]. [24A], [24B]). A Figura 2 (a) mostra uma forma de onda amostrada no tempo. A Figura 2 (b) mostra os espectros do sinal não amostrado e amostrado. O sample clock do ADC está executando a mesma função do Oscillator local em um mixer RF. Para um ADC, um filtro analógico pode permitir que apenas um sinal em uma zona de Nyquist passe, e essa ação de mixagem pode ser usada para converter um sinal nessa zona de Nyquist em banda base.

Figura 2 (a). Amostragem no domínio do tempo

Figura 2 (b). O espectros do sinal não amostrado e amostrado

Para DACs, a saída pode ser moldada a tempo para melhorar o desempenho em frequências mais altas.



A Figura 3 (a) mostra uma saída DAC “Normal” ou “Sem Retorno a Zero” (NRZ). Após cada amostra, a saída permanece constante até a próxima amostra. O espectro analógico é mostrado na Figura 3 (b).

Figura 3 (a). Amostragem no domínio do tempo

Figura 3 (b).

A Figura 4 (a) mostra uma saída DAC “Return to Zero” (RZ). Depois de cada amostra, a saída permanece constante por meio período de amostra e depois vai para zero. Isso tem o efeito de aumentar a amplitude na segunda zona de Nyquist, conforme mostrado na Figura 4 (b).

Figura 4 (a). Amostragem no domínio do tempo

Figura 4 (b).

A Figura 5 (a) mostra uma saída DAC “Mix” ou “RF”. Após cada amostra, a saída permanece constante por meio período de amostra e, em seguida, atinge esse valor negativo. Esta é a mesma operação de um mixer que usa ambas as polaridades da forma de onda do oscilador local. O espectro analógico, mostrado na Figura 5 (b), tem uma amplitude ainda maior na segunda zona de Nyquist. Depois que uma forma de onda é criada por qualquer um dos métodos acima, as frequências desejadas devem ser filtradas com um filtro passa-baixa ou passa-banda, para remover qualquer apelido indesejado e respostas espúrias que possam existir.

Figura 5 (a). Amostragem no domínio do tempo

Figura 5 (b).

A abordagem digital evita quaisquer problemas com desequilíbrio de quadratura. No entanto, todos os conversores de dados têm suas próprias comunicações indesejadas, devido aos efeitos de quantização e amostragem. Alguns desses efeitos serão mostrados no próximo artigo. Os requisitos de custo e energia desses conversores de dados de alta velocidade também são geralmente altos, em comparação com as redes IQ analógicas.

Agradecimentos

Quando as perguntas abordadas neste relatório apareceram pela primeira vez na mente do autor, ele solicitou comentários por meio de alguns grupos do LinkedIn. Várias respostas úteis foram recebidas. Aqueles que deram permissão para o uso de suas informações pessoais são; Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Egito), Dieter Joos (ON Semiconductor) e Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). O autor também agradece sua esposa, Elizabeth, que provavelmente se perguntou o que seu marido estava fazendo; isolado em seu escritório em casa, fazendo um trabalho para o qual aparentemente não era pago.

Referências

As referências a seguir serão usadas para cada um dos artigos desta série.



Moduladores e demoduladores analógicos de QI:descrições gerais

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[2] Eamon Nash; "Correção de imperfeições em moduladores de QI para melhorar a fidelidade do sinal de RF"; Analog Devices Application Note AN-1039; 2009

[3] Anon; "Um receptor IF para banda base baseado em demodulador IQ com ganho variável de banda base e IF e filtragem de banda base programável"; Circuito de Dispositivos Analógicos Nota CN-0320; 2013



Conversores de dados de alta velocidade (DACs e ADCs); Informações gerais

[4] Justin Munson; "Compreendendo o teste e avaliação de DAC de alta velocidade"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013

[5] Engel, G .; Fague, D.E .; Toledano, A, "Conversores RF digital-analógico permitem síntese direta de sinais de comunicação," Communications Magazine, IEEE, vol.50, no.10, pp.108, 116, outubro de 2012

[6] Chris Pearson; "Fundamentos de conversores de digital para analógico de alta velocidade"; Relatório de aplicação SLAA523A da Texas Instruments; 2012

[7] Alex Arrants, Brad Brannon e Rob Reeder; "Compreendendo o teste e avaliação de ADC de alta velocidade"; Analog Devices Application Note AN-835, 2010.



Moduladores e demoduladores digitais de QI

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Amostragem passa-banda (Rev .04 mudou "amostragem subharmônica" para "amostragem passa-banda)

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Efeitos do desequilíbrio de QI, nenhuma compensação ou exploração proposta

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7.6 Efeitos do desequilíbrio de IQ, compensação ou exploração proposta

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7.9 Agregação de operadora para LTE avançado; Requisitos espectrais de banda larga.

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