I / Q signaalide ja kvadratuurmodulatsiooni mõistmine

Raadiosageduse demonstratsioon
Siit leiate teavet I / Q-signaalide kohta, kuidas neid kasutatakse ja miks need on raadiosidesüsteemides kasulikud.

See peatükk poleks täielik ilma leheküljeta kvadratuurdemodulatsiooni kohta. Enne kvadratuurdemodulatsiooni uurimist peame siiski vähemalt põgusalt arutama kvadratuurmodulatsiooni. Ja enne kvadratuurmodulatsiooni arutamist peame mõistma I / Q signaale.

Faasisisene ja kvadratuurne
Mõiste “I / Q” on lühend sõnadest “faasis” ja “kvadratuurist”. Kahjuks on meil juba terminoloogiaprobleem. Esiteks pole „faasis” ja “kvadratuuris” omaette tähendust; faas on suhteline ja midagi saab olla „faasis” või „faasist väljas” ainult mõne teise signaali või kindlaksmääratud tugipunkti suhtes. 

Lisaks sellele on nüüd sõna "kvadratuur" rakendatud nii signaalile kui ka selle signaaliga seotud modulatsiooni- / demodulatsioonitehnikatele.

Igal juhul tähistavad “faas” ja “kvadratuur” kahte sinusoidi, millel on sama sagedus ja mis on 90 ° faasist väljas. Kokkuleppeliselt on I-signaal koosinuslainekuju ja Q-signaal siinuslainekuju. Nagu teate, nihkub siinuslaine (ilma täiendava faasita) koosinuslaine suhtes 90 °. Teine viis selle väljendamiseks on see, et siinuse- ja koosinuslained on kvadratuuris.

Esimene asi, mida I / Q signaalidest tuleb mõista, on see, et nad on alati amplituudmodulatsioonis, mitte sageduse või faasi poolt moduleeritud. Kuid I / Q amplituudmodulatsioon erineb 4. peatükis käsitletud AM-tehnikast: I / Q-modulaatoris ei nihutata I / Q-sinusoide moduleerivaid signaale nii, et need on alati positiivsed. 

Teisisõnu, I / Q modulatsioon hõlmab I / Q lainekujude korrutamist signaalide moduleerimisega, millel võivad olla negatiivsed pingeväärtused, ja järelikult võib "amplituudi" modulatsioon põhjustada 180 ° faasi nihet. Hiljem sellel lehel uurime seda küsimust üksikasjalikumalt.

Mis on nii eelistatav amplituudmodulatsioonil kahe sinusoidi korral, mis on 90 ° faasist väljas? Miks on I / Q modulatsioon ja demodulatsioon nii laialt levinud? Loe edasi.

I ja Q kokkuvõtlikult
I ja Q signaalid üksi pole eriti huvitavad. Huvitav asi juhtub siis, kui lisatakse I ja Q lainekujud. Selgub, et mis tahes vormis modulatsiooni saab teostada lihtsalt I ja Q signaalide amplituudi - ainult amplituudi - varieerimise ja nende liitmise teel.

Kui võtta I ja Q signaalid võrdse amplituudiga ja need lisada, on tulemuseks sinusoid faasiga, mis jääb täpselt I signaali faasi ja Q signaali faasi vahele.

 

Teisisõnu, kui arvestada, et I-lainekuju faas on 0 ° ja Q-lainekuju faas on 90 °, siis on summeerimissignaali faas 45 °. Kui soovite neid I ja Q signaale kasutada amplituudmodulatsiooniga lainekuju loomiseks, siis moduleerite lihtsalt amplituudiga I ja Q signaale. 

Ilmselt signaali amplituud suureneb või väheneb, kui see luuakse kahe signaali liitmisel, mis mõlemad suurendavad või mõlemad vähendavad amplituudi. 

Peate siiski tagama, et I-signaalile rakendatud amplituudmodulatsioon oleks identne Q-signaalile rakendatava amplituudmodulatsiooniga, sest kui need pole identsed, toimub faasinihe. Ja see viib meid I / Q-signalisatsiooni järgmise omaduseni.

Amplituudist faasini
Faasimodulatsioon faasinihke võtmise vormis on kaasaegsetes RF-süsteemides oluline tehnika ja faasimodulatsiooni saab mugavalt saavutada I / Q-signaalide amplituudi varieerimisega. Mõelge järgmistele proovitükkidele:

 

Nagu näete, põhjustab ühe lainekuju amplituudi suurendamine teise suhtes summeerimissignaali nihkumise suurema amplituudiga lainekuju poole. See on intuitiivne: näiteks Q-lainekuju elimineerimisel nihkub liitmine lõpuni I-lainekuju faasiga, sest (ilmselgelt) lisades I-lainekuju nulli, on tulemuseks identne summeerimissignaal. I lainekujule.

Ülaltoodud arutelu põhjal näib, et I / Q signaalimist saab kasutada ainult signaali nihutamiseks 90 ° (st 45 ° mõlemas suunas): kui Q amplituud on vähendatud nullini, läheb summeerimine lõpuni I faas; kui I amplituudi vähendatakse nullini, läheb liitmine lõpuni Q-faasini. 

Kuidas saaksime siis kasutada I / Q signaale, et luua (näiteks) kvadratuurfaasinihete klahvid (QPSK), mis kasutavad faasi väärtusi, mis hõlmavad vahemikku 270 °? Me arutame seda järgmises osas.

Kvadratuurmodulatsioon
Mõiste “kvadratuurmodulatsioon” viitab modulatsioonile, mis põhineb kahe kvadratuuris oleva signaali liitmisel. Teisisõnu, see on I / Q-signaalil põhinev modulatsioon. Kasutame QPSK-d näitena kvadratuurmodulatsiooni toimimisest ja selle käigus näeme, kuidas I / Q-signaalide amplituudmodulatsioon võib põhjustada faasi nihkeid üle 90 °.

See on QPSK modulaatori põhiline plokkskeem. Esiteks töödeldakse digitaalset andmevoogu nii, et kaks järjestikust bitti muutuvad kaheks paralleelseks bitiks. Mõlemad bitid edastatakse samaaegselt; teisisõnu, nagu sellel lehel mainitud, võimaldab QPSK ühel sümbolil kahe bitti üle kanda. 

Kohalik ostsillaator genereerib kandja sinusoidi. Kohalik ostsillaatori signaal ise muutub I kandjaks ja Q kanduri loomiseks rakendatakse 90 ° faasi nihet. I ja Q kandjad korrutatakse I ja Q andmevoogudega ning neist korrutamistest tulenevad kaks signaali summeeritakse, et saada QPSK-moduleeritud lainekuju.

I ja Q andmevood moduleerivad I ja Q kandjaid amplituudiga ja nagu eespool selgitatud, saab neid individuaalseid amplituudmodulatsioone kasutada faasis modulatsiooni saamiseks lõppsignaalis. Kui I ja Q andmevood oleksid tüüpilised digitaalsed signaalid, mis ulatuvad maapinnast positiivse pingeni, rakendaksime I ja Q kandjatele sisse-välja klahve ja meie faasinihe oleks piiratud 45 ° mõlemas suunas. 

Kui I ja Q andmevood on bipolaarsed signaalid, st kui nad liiguvad negatiivse pinge ja positiivse pinge vahel, siis meie amplituudmodulatsioon muudab kandealuse ümber, kui sisendandmed on loogiliselt madalad (kuna negatiivne sisendpinge vedajaga korrutatuna saadakse inversioon). See tähendab, et meil on neli I / Q olekut:

* Ma olen normaalne ja Q normaalne

* Ma olen normaalne ja Q tagurpidi

* Ma olen tagurpidi ja Q on normaalne

* Ma pöörasin ümber ja Q ümber

Mida annab summeerimine nendel juhtudel? (Pange tähele, et järgmistel graafikutel on lainekujude sagedus valitud nii, et sekundite arv x-teljel oleks sama kui faasi nihe kraadides.)

I Normal ja Q Normal

 

I Normal ja Q ümberpööratud


 

I tagurpidi ja Q normaalne


 

I ümberpööratud ja Q ümberpööratud




Nagu näete, annab summeerimine nendel neljal juhul täpselt selle, mida me QPSK signaali jaoks tahame: faasi nihked 45 °, 135 °, 225 ° ja 315 °.


kokkuvõte

* I / Q signaalimine viitab kahe sinusoidi kasutamisele, millel on sama sagedus ja suhteline faasi nihe 90 °.

* Amplituudi, faasi ja sageduse modulatsiooni saab läbi viia amplituudmoduleeritud I / Q signaalide liitmise teel.

* Kvadratuurmodulatsioon viitab modulatsioonile, mis hõlmab I / Q signaale.

* Kvadratuurfaasi nihutamise võtmeid saab teostada, lisades I ja Q kandjad, mis on vastavalt sissetulevatele digitaalsetele andmetele individuaalselt korrutatud +1 või –1-ga.

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri