I / Q-signalen en kwadratuurmodulatie begrijpen

Demodulatie van radiofrequenties
Lees meer over "I / Q" -signalen, hoe ze worden gebruikt en waarom ze voordelig zijn in RF-systemen.

Dit hoofdstuk zou niet compleet zijn zonder een pagina over kwadratuur-demodulatie. Voordat we echter de kwadratuur-demodulatie onderzoeken, moeten we in ieder geval kort de kwadratuur-modulatie bespreken. En voordat we kwadratuurmodulatie bespreken, moeten we I / Q-signalen begrijpen.

In-fase en kwadratuur
De term 'I / Q' is een afkorting van 'in-fase' en 'kwadratuur'. Helaas hebben we al een terminologieprobleem. Allereerst hebben 'in-fase' en 'kwadratuur' op zichzelf geen betekenis; fase is relatief en iets kan alleen 'in fase' of 'uit fase' zijn met verwijzing naar een ander signaal of een vastgesteld referentiepunt. 

Bovendien hebben we nu het woord "kwadratuur" toegepast op zowel een signaal als op de modulatie / demodulatietechnieken die bij dat signaal horen.

In ieder geval verwijzen "in fase" en "kwadratuur" naar twee sinusoïden die dezelfde frequentie hebben en 90 ° uit fase zijn. Volgens afspraak is het I-signaal een cosinusgolfvorm en is het Q-signaal een sinusgolfvorm. Zoals je weet, wordt een sinusgolf (zonder extra fase) 90 ° verschoven ten opzichte van een cosinusgolf. Een andere manier om dit uit te drukken is dat de sinus- en cosinusgolven in kwadratuur zijn.

Het eerste dat u moet weten over I / Q-signalen is dat ze altijd amplitudegemoduleerd zijn, niet frequentie- of fasegemoduleerd. I / Q-amplitudemodulatie verschilt echter van de AM-techniek die in hoofdstuk 4 wordt besproken: in een I / Q-modulator worden de signalen die de I / Q-sinusoïden moduleren niet zodanig verschoven dat ze altijd positief zijn. 

Met andere woorden, I / Q-modulatie omvat het vermenigvuldigen van I / Q-golfvormen door signalen te moduleren die negatieve spanningswaarden kunnen hebben, en bijgevolg kan de "amplitude" -modulatie resulteren in een faseverschuiving van 180 °. Later op deze pagina zullen we dit probleem in meer detail onderzoeken.

Wat is er zo voordelig aan amplitude-modulerende twee sinusoïden die 90 ° uit fase zijn? Waarom zijn I / Q-modulatie en demodulatie zo wijdverbreid? Lees verder.

Samenvattend I en Q
Ik en Q-signalen alleen zijn niet erg interessant. Het interessante gebeurt wanneer I- en Q-golfvormen worden toegevoegd. Het blijkt dat elke vorm van modulatie eenvoudig kan worden uitgevoerd door de amplitude - alleen de amplitude - van I- en Q-signalen te variëren en ze vervolgens bij elkaar op te tellen.

Als je I- en Q-signalen van gelijke amplitude neemt en ze optelt, is het resultaat een sinusoïde met een fase die precies tussen de fase van het I-signaal en de fase van het Q-signaal ligt.

 

Met andere woorden, als u ervan uitgaat dat de I-golfvorm een ​​fase van 0 ° heeft en de Q-golfvorm een ​​fase van 90 °, heeft het sommatiesignaal een fase van 45 °. Als u deze I- en Q-signalen wilt gebruiken om een ​​amplitude-gemoduleerde golfvorm te creëren, moduleert u eenvoudig de individuele I- en Q-signalen. 

Het is duidelijk dat een signaal in amplitude zal toenemen of afnemen als het wordt gecreëerd door twee signalen bij elkaar op te tellen die beide toenemen of beide afnemen in amplitude. 

U moet er echter voor zorgen dat de amplitudemodulatie die wordt toegepast op het I-signaal identiek is aan de amplitudemodulatie die wordt toegepast op het Q-signaal, want als ze niet identiek zijn, heeft u faseverschuiving. En dat brengt ons bij de volgende eigenschap van I / Q-signalering.

Van amplitude tot fase
Fasemodulatie, in de vorm van faseverschuivingssleuteling, is een belangrijke techniek in moderne RF-systemen en fasemodulatie kan gemakkelijk worden bereikt door de amplitude van I / Q-signalen te variëren. Beschouw de volgende plots:

 

Zoals u kunt zien, zorgt het verhogen van de amplitude van een van de golfvormen ten opzichte van de andere ervoor dat het sommatiesignaal verschuift naar de golfvorm met hogere amplitude. Dit is intuïtief logisch: als u bijvoorbeeld de Q-golfvorm zou elimineren, zou de sommatie helemaal naar de fase van de I-golfvorm verschuiven, omdat (uiteraard) het toevoegen van de I-golfvorm aan nul resulteert in een sommatiesignaal dat identiek is naar de I-golfvorm.

Uit de bovenstaande discussie lijkt dat I / Q-signalering alleen kan worden gebruikt om een ​​signaal 90 ° (dwz 45 ° in elke richting) te verschuiven: als de Q-amplitude tot nul wordt teruggebracht, gaat de sommatie helemaal naar de I fase; als de I-amplitude tot nul wordt teruggebracht, gaat de sommatie helemaal naar de Q-fase. 

Hoe kunnen we dan I / Q-signalen gebruiken om (bijvoorbeeld) kwadratuur phase shift keying (QPSK) te creëren, die fasewaarden gebruikt die een bereik van 270 ° bestrijken? We zullen dit bespreken in de volgende sectie.

Kwadratuurmodulatie
De term "kwadratuurmodulatie" verwijst naar modulatie die is gebaseerd op de sommatie van twee signalen in kwadratuur. Met andere woorden, het is op I / Q-signaal gebaseerde modulatie. We zullen QPSK gebruiken als een voorbeeld van hoe kwadratuurmodulatie werkt, en in het proces zullen we zien hoe amplitudemodulatie van I / Q-signalen faseverschuivingen van meer dan 90 ° kan veroorzaken.

Dit is een basisblokschema voor een QPSK-modulator. Eerst wordt de digitale datastroom verwerkt zodat twee opeenvolgende bits twee parallelle bits worden. Beide bits worden gelijktijdig verzonden; met andere woorden, zoals vermeld op deze pagina, staat QPSK toe dat één symbool twee bits overdraagt. 

De lokale oscillator genereert de draagsinusoïde. Het lokale oscillatorsignaal wordt zelf de I-drager en een faseverschuiving van 90 ° wordt toegepast om de Q-drager te creëren. De I- en Q-dragers worden vermenigvuldigd met de I- en Q-gegevensstromen en de twee signalen die het resultaat zijn van deze vermenigvuldigingen, worden opgeteld om de QPSK-gemoduleerde golfvorm te produceren.

De I- en Q-datastromen moduleren de I- en Q-dragers in amplitude en zoals hierboven uitgelegd, kunnen deze individuele amplitudemodulaties worden gebruikt om fasemodulatie in het eindsignaal te produceren. Als de I- en Q-datastromen typische digitale signalen waren die zich uitstrekten van aarde tot een positieve spanning, zouden we aan-uit-toetsen toepassen op de I- en Q-dragers, en onze faseverschuiving zou in beide richtingen worden beperkt tot 45 °. 

Als de I- en Q-datastromen echter bipolaire signalen zijn - dat wil zeggen als ze tussen een negatieve spanning en een positieve spanning zwaaien - is onze "amplitudemodulatie" in feite de drager aan het omkeren wanneer de inputgegevens logisch laag zijn (omdat de negatieve inputspanning vermenigvuldigd met de drager resulteert in inversie). Dit betekent dat we vier I / Q-toestanden hebben:

* Ik normaal en Q normaal

* Ik normaal en Q omgekeerd

* Ik ben omgekeerd en Q normaal

* Ik heb omgekeerd en Q omgekeerd

Wat levert sommatie op in elk van deze gevallen? (Merk op dat in de volgende grafieken de frequentie van de golfvormen zo wordt gekozen dat het aantal seconden op de x-as hetzelfde is als de faseverschuiving in graden.)

I Normaal en Q Normaal

 

I Normaal en Q omgekeerd


 

Ik ben omgekeerd en Q normaal


 

Ik heb omgekeerd en Q omgekeerd




Zoals je kunt zien, levert sommatie in deze vier gevallen precies op wat we willen hebben in een QPSK-signaal: faseverschuivingen van 45 °, 135 °, 225 ° en 315 °.


Samengevat

* I / Q-signalering verwijst naar het gebruik van twee sinusoïden met dezelfde frequentie en een relatieve faseverschuiving van 90 °.

* Amplitude-, fase- en frequentiemodulatie kan worden uitgevoerd door amplitudegemoduleerde I / Q-signalen op te tellen.

* Kwadratuurmodulatie verwijst naar modulatie waarbij I / Q-signalen betrokken zijn.

* Kwadratuur faseverschuivingssleuteling kan worden bereikt door I- en Q-dragers toe te voegen die individueel zijn vermenigvuldigd, in overeenstemming met de binnenkomende digitale gegevens, met +1 of –1.

Laat een bericht achter 

Message List