Combinação IQ Analógica vs Digital: Selecionando a Abordagem Certa para seu Sistema RF

Como a combinação I e Q deve ser feita? Por meios analógicos ou digitais? Este artigo discutirá os fundamentos das abordagens analógicas e digitais de IQ.

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

Recentemente, novos Conversores A/D e D/A foram introduzidos, que podem amostrar diretamente um IF de 1 a 4 GHz; amostragem nas 2ª, 3ª e 4ª zonas de Nyquist ([4] a [7]). Estes, combinados com lógica digital de maior velocidade, permitem que a combinação (para A/D) e separação (para D/A) sejam feitas digitalmente ([8] a [21]). Isso é ilustrado na Figura 1(a) (para um modulador) e 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 I, Q analógicos integrados têm correspondência muito boa entre os caminhos I e Q, resolvendo algumas das objeções a fazer esses processos analógicamente. A técnica analógica também requer o dobro de conversores de dados (A/Ds ou D/As) que amostragem direta em IF, mas eles operam em taxas de amostragem mais baixas; portanto são mais baratos e requerem menos potência. Isso é ilustrado na Figura 1(a) (para um modulador) e Figura 1(b) (para um demodulador) com o Conversor de Dados (DAC ou ADC) na posição "A".

The author starting thinking about this question. He asked for opinions on several LinkedIn groups, and received valuable answers. With the approval of the acknowledgees, they are acknowledged below. He also found out whatever information he could on the properties of contemporary Integrated Circuits (ICs) for these functions, and the results of whatever performance requirements had been determined for these ICs. From this, he tried to generate whatever general conclusions could be drawn to answer the question; "Should IQ Modulation and Demodulation be done Analogly or Digitally?"

 

Abordagem IQ Analógica

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

 

R(t) = I(t)cos(2πft) + Q(t)sen(2πft)

 

onde f é a frequência da portadora, I(t) é chamado de componente Em-Fase, e Q(t) é chamado de componente Quadratura. Um modulador 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 recebe como entrada R(t), e forma 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 nos dois caminhos idênticos e a diferença de fase exatamente 90°. Às vezes negligenciados para esses requisitos são os dois Filtros Passa-Baixa. Eles devem ser exatamente correspondentes em ganho e fase para todas as frequências onde há energia de sinal significativa. Quantificação mais exata desses requisitos e as deteriorações causadas por desvios deles são mostradas em um artigo posterior.

 

Abordagem IQ Digital

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

Muitas vezes essas abordagens digitais tiram vantagem do efeito de aliasing, usando o que é chamado de amostragem de 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 clock de amostragem do ADC está executando a mesma função que o Oscilador 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 mistura pode ser usada para fazer downconvert de um sinal nessa zona de Nyquist para banda base.

 

Figura 2(a). Amostragem no Domínio do Tempo

 

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

 

Para DACs, a saída pode ser moldada no tempo para melhorar o desempenho em frequências mais altas.

 

A Figura 3(a) mostra uma saída DAC "Normal" ou "Non-Return to 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). Após cada amostra, a saída permanece constante por meio período de amostra, e então vai a zero. Isso tem o efeito de aumentar a amplitude na segunda zona de Nyquist, como 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 então vai para o negativo desse valor. 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. Após uma forma de onda ser criada via qualquer um dos métodos acima, as frequências desejadas devem ser filtradas com um filtro Passa-Baixa ou Passa-Banda, para remover quaisquer respostas alias e espúrias indesejadas.

 

Figura 5(a). Amostragem no Domínio do Tempo

 

Figura 5(b).

 

A abordagem digital evita quaisquer problemas com desbalanceamento de quadratura. No entanto, todos os conversores de dados têm seus próprios deterioramentos indesejados, devido a efeitos de quantização e amostragem. Alguns desses efeitos serão mostrados no próximo artigo. Os requisitos de custo e potência desses conversores de dados de alta velocidade também são frequentemente altos, comparados a redes IQ analógicas.

 

Agradecimentos

Quando as questões abordadas neste relatório apareceram pela primeira vez na mente do autor, ele solicitou comentários através de alguns grupos do LinkedIn. Várias respostas úteis foram recebidas. Aqueles que deram permissão para que suas informações pessoais fossem usadas 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 perguntava o que o marido estava fazendo; isolado em seu escritório em casa, fazendo trabalho pelo qual aparentemente não estava sendo pago.

 

Referências

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

 

Moduladores e Demoduladores IQ Analógicos: Descrições Gerais

[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

 

Conversores de Dados de Alta Velocidade (DACs e ADCs); Informações Gerais

[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.

 

Moduladores e Demoduladores IQ Digitais

[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

 

Amostragem de banda (Rev .04 mudou "subharmonic sampling" para "bandpass sampling)

[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

 

Efeitos de Desequilíbrio IQ, sem compensação ou exploração proposta

[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

7.6 Efeitos de Desequilíbrio IQ, compensação ou exploração proposta

[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

7.7 Requisitos para DACs e ADCs de Banda Base

[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

 

Requisitos para RF DACs e ADCs; e para Não-linearidades RF

[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

 

7.9 Agregação de portadora para LTE-advanced; Requisitos espectrais de banda larga.

[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