Может кто-нибудь объяснить, что IQ (квадратура) означает с точки зрения SDR?

Это немного основной вопрос, но у меня возникают проблемы с пониманием, почему сигнал должен быть разбит на компоненты I и Q, чтобы быть полезным для программно-определяемой радиосвязи (SDR).

Я понимаю, что компоненты I и Q - это один и тот же сигнал, только на 90 градусов не в фазе, но я не понимаю, почему это важно. Почему вы не можете просто оцифровать один сигнал? Зачем вам нужен явно идентичный сигнал, который не в фазе на 90 градусов? И если вам нужен этот второй сигнал, почему вы не можете создать его самостоятельно (например, в программном обеспечении), просто задержав первый сигнал?

Все, что я могу понять, это то, что по какой-то причине необходимо выполнять демодуляцию в стиле FM в программном обеспечении, но я нигде не могу найти ничего, что могло бы объяснить необходимость и почему эта демодуляция невозможна без компонентов I и Q.

Кто-нибудь может пролить свет на это? Википедия не особенно полезна: каждая страница содержит ссылку вместо объяснения, а каждая ссылка указывает на следующую в бесконечном цикле.

Компоненты I и Q не являются одним и тем же сигналом; это сэмплы одного и того же сигнала, снятые по фазе на 90 градусов, и они содержат различную информацию. Это тонкое, но важное различие.

Разделение I и Q таким образом позволяет измерять относительную фазу компонентов сигнала. Это важно не только для демодуляции FM (и PM), но также и для любой другой ситуации, в которой необходимо различать содержимое верхней и нижней боковых полос несущей (например, SSB).

Всякий раз, когда преобразование частоты (гетеродинирование) происходит в SDR (особенно в аналоговом интерфейсе), компоненты I и Q обрабатываются по-разному. Генерируются две копии гетеродина, одна с задержкой на 90 градусов по отношению к другой, и они отдельно смешиваются с I и Q. Это сохраняет фазовые соотношения посредством преобразования.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Все это на самом деле означает, что вы дискретизируете сигнал с достаточно высокой скоростью, чтобы захватить всю информацию о боковой полосе на обеих сторонах несущей. Я и Q на самом деле просто условное обозначение, которое заставляет математику работать немного более чисто. Это становится наиболее актуальным, если вы в конечном итоге гетеродинируете сигнал непосредственно до основной полосы (синхронное обнаружение). Если вы не сохраняете и I, и Q, две боковые полосы сворачиваются друг на друга (форма псевдонимов), и вы больше не можете декодировать сигналы FM, PM или QAM.

Это связано с частотой дискретизации и тем, как тактовая частота дискретизации (местный генератор или гетеродин) соотносится с интересующей частотой сигнала.

Найквиста частота частота в два раза максимальная частота (или полосы пропускания) в отобранных спектрах (чтобы предотвратить наложение спектров) из сигналов основной полосы частот. Но на практике, учитывая сигналы конечной длины и, следовательно, нематематически идеально ограниченную полосу сигналов (а также потенциальную потребность в физически реализуемых фильтрах без кирпичной стены), частота дискретизации для DSP должна быть выше, чем в два раза выше самой высокой частоты сигнала , Таким образом, удвоение количества образцов путем удвоения частоты дискретизации (2X LO) все равно будет слишком низким. Увеличение частоты дискретизации в 4 раза (4X LO) значительно повысит частоту Найквиста, но использование этой гораздо более высокой частоты дискретизации будет более дорогим с точки зрения компонентов схемы, производительности АЦП, скорости передачи данных DSP, требуемых мегафлопс и т. Д.

Так выборки IQ часто делается с локального генератора в точке (или вблизи) относительно одной и той же частоте, что и сигнал или полосы частот , представляющего интерес, который, очевидно , способ слишком низкая частота дискретизации (для сигналов основной полосы частот) в соответствии с Найквиста. Одна выборка за цикл синусоидальной волны может быть все на пересечении нуля, или все на вершинах, или в любой промежуточной точке. Вы почти ничего не узнаете о так называемом синусоидальном сигнале. Но давайте назовем этот, практически бесполезный, набор сэмплов I из сэмпла IQ.

Но как насчет увеличения количества выборок, не просто удваивая частоту выборки, но беря дополнительную выборку немного позже первой после каждого цикла. Две выборки за цикл, немного разделенные друг от друга, позволили бы оценить наклон или производную. Если бы один образец находился на пересечении нуля, дополнительного образца не было бы. Таким образом, вам было бы гораздо лучше выяснить, какой сигнал отбирается. Двух точек плюс знание того, что интересующий сигнал является примерно периодическим при частоте дискретизации (из-за ограничения полосы), обычно достаточно, чтобы начать оценивать неизвестные канонического уравнения синусоидальной волны (амплитуды и фазы).

Но если вы отойдете слишком далеко от второй выборки до середины первого набора выборок, вы столкнетесь с той же проблемой, что и 2-кратная выборка (одна выборка может иметь положительное пересечение нуля, а другая - отрицательную, сообщая вам ничего такого). Это та же проблема, что и у 2X слишком низкая частота дискретизации.

Но где-то между двумя сэмплами первого набора (набор «Я») есть сладкое пятно. Не избыточный, как при одновременной выборке, и неравномерно распределенный (что эквивалентно удвоению частоты дискретизации), есть смещение, которое дает вам максимальную информацию о сигнале, а стоимость - точная задержка для дополнительной выборки. гораздо более высокой частоты дискретизации. Оказывается, что эта задержка составляет 90 градусов. Это дает вам очень полезный набор сэмплов «Q», который вместе с набором «I» говорит вам гораздо больше о сигнале, чем один из них. Возможно, достаточно, чтобы демодулировать AM, FM, SSB, QAM и т. Д. И т. Д. Во время сложной или IQ-выборки на несущей частоте или очень близко, а не намного выше, чем в 2 раза.

Добавлено:

Точное смещение на 90 градусов для второго набора выборок также точно соответствует половине компонентных базисных векторов в DFT. Полный набор необходим для полного представления несимметричных данных. Более эффективный алгоритм БПФ очень часто используется для обработки большого количества сигналов. Другие форматы дискретизации не-IQ могут требовать либо предварительной обработки данных (например, с учетом любого дисбаланса IQ по фазе или усилению), либо использования более длинных БПФ, что потенциально может быть менее эффективным для некоторой фильтрации или демодуляции, обычно выполняемой в типичных SDR обработка данных IF.

Добавлено:

Также обратите внимание, что полоса пропускания водопада сигнала SDR IQ, который может показаться широкополосным, обычно немного уже, чем IQ или сложная частота дискретизации, даже если центральная частота прекомплексного гетеродина может быть намного выше, чем частота дискретизации IQ. , Таким образом, частота компонентов (2 компонента на один комплекс или выборку IQ), которая в два раза превышает скорость IQ, в итоге оказывается выше, чем удвоенная ширина полосы частот, представляющая интерес, что соответствует выборке Найквиста.

Добавлено:

Вы не можете создать второй квадратурный сигнал самостоятельно, просто задержав вход, потому что вы ищете изменение между сигналом и сигналом на 90 градусов позже. И не увидит никаких изменений, если вы используете те же два значения. Только если вы производите выборку в два разных периода времени, слегка смещайте.

Это действительно такая простая тема, которую почти никто не объясняет хорошо. Для тех, кто изо всех сил пытается понять это, посмотрите видео W2AEW, http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . Всего за 16 минут он идет от супа к орехам, даже дает демонстрации с помощью своего осциллографа и схемы, которую он сделал.

Iи Qэто просто другой способ представления сигнала. Вы мысленно думаете о сигнале как о синусоиде, модулированной по его амплитуде, частоте или фазе.

Синусоиды могут быть представлены в виде вектора. Если вы помните векторы в классе физики, вы склонны работать с компонентами xи yэтого вектора (складывая x'sвместе и y's). Вот что по сути Iи Qесть X(будучи синфазным I) и Y(квадратура Q).

Когда вы представляете синусоидальную волну как вектор и делаете доступным Iи Q, гораздо проще иметь программное обеспечение для выполнения математических операций для демодуляции сигнала. Ваш компьютер имеет специализированные чипы - графическая карта и звуковая карта - VECTORпроцессоры - с дополнительными регистрами для хранения xи yкомпонентов для быстрого расчета.

Вот почему SDRжелания Iи Q. Iи Qразрешить процессорам векторов на вашем компьютере выполнять демодуляцию быстро и эффективно.