ใครสามารถอธิบายว่า IQ (พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส) หมายถึงอะไรในแง่ของ SDR


31

นี่เป็นคำถามพื้นฐานเล็กน้อย แต่ฉันมีปัญหาในการทำความเข้าใจว่าทำไมสัญญาณจึงต้องแตกออกเป็นองค์ประกอบ I และ Q เพื่อเป็นประโยชน์สำหรับวิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ (SDR)

ฉันเข้าใจว่าองค์ประกอบ I และ Q เป็นสัญญาณเดียวกันห่างจากระยะ 90 องศา แต่ฉันไม่เข้าใจว่าทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ ทำไมคุณไม่สามารถแปลงสัญญาณหนึ่งสัญญาณเป็นดิจิทัลได้ ทำไมคุณถึงต้องการสัญญาณที่เหมือนกันซึ่งอยู่นอกเฟส 90 องศา และถ้าคุณต้องการสัญญาณที่สองนี้ทำไมคุณไม่สร้างด้วยตัวคุณเอง (เช่นในซอฟต์แวร์) โดยเพียงแค่ชะลอสัญญาณแรก

ทั้งหมดที่ฉันทำได้คือมันจำเป็นต้องใช้เหตุผลในการทำ demodulation แบบ FM ในซอฟต์แวร์ แต่ฉันไม่สามารถหาสิ่งใดก็ได้เพื่ออธิบายว่าความต้องการคืออะไรและทำไม demodulation นี้จึงเป็นไปไม่ได้หากไม่มีส่วนประกอบทั้ง Q และ Q

ใครบ้างที่สามารถทำให้กระจ่างในเรื่องนี้? Wikipedia ไม่มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อแต่ละหน้ามีลิงก์แทนคำอธิบายและแต่ละลิงก์จะชี้ไปยังหน้าถัดไปในวงวนไม่รู้จบ

คำตอบ:


22

ส่วนประกอบ I และ Q ไม่เหมือนกัน เป็นตัวอย่างของสัญญาณเดียวกับที่ถ่าย 90 องศาจากเฟสและประกอบด้วยข้อมูลที่แตกต่างกัน มันเป็นความแตกต่างที่บอบบาง แต่สำคัญ

การแยก I และ Q ด้วยวิธีนี้ช่วยให้คุณสามารถวัดเฟสสัมพัทธ์ของส่วนประกอบของสัญญาณ สิ่งนี้มีความสำคัญไม่เพียง แต่สำหรับ demodulation FM (และ PM) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงสถานการณ์อื่น ๆ ที่คุณจำเป็นต้องแยกเนื้อหาของแถบด้านข้างด้านบนและด้านล่างของสายการบิน (เช่น SSB)

เมื่อใดก็ตามที่การแปลงความถี่ (heterodyning) เกิดขึ้นใน SDR (โดยเฉพาะในส่วนหน้าแบบอะนาล็อก) ส่วนประกอบ I และ Q จะได้รับการจัดการแตกต่างกัน มีการสร้างสำเนาของออสซิลเลเตอร์สองตัวหนึ่งตัว 90 องศาล่าช้าไปด้วยความเคารพซึ่งกันและกันและสิ่งเหล่านี้จะถูกผสมกับ I และ Q สิ่งนี้จะรักษาความสัมพันธ์ของเฟสผ่านการแปลง

แก้ไข:

ทั้งหมดนี้หมายถึงว่าคุณกำลังสุ่มสัญญาณในอัตราที่สูงพอที่จะจับสัญญาณข้อมูลด้านข้างทั้งหมดในทั้งสองด้านของผู้ให้บริการ ฉันและคิวเป็นเพียงสัญญลักษณ์ที่เป็นเหตุเป็นผลที่ทำให้คณิตศาสตร์คำนวณได้อย่างหมดจดมากขึ้น มันจะกลายเป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องมากที่สุดถ้าคุณจบลงด้วยการ heterodyning สัญญาณโดยตรงลงไปที่เบสแบนด์ (การตรวจจับแบบซิงโครนัส) หากคุณไม่รักษาทั้ง I และ Q ไว้ด้านข้างทั้งสองจะพับเข้าหากัน (รูปแบบของนามแฝง) และคุณจะไม่สามารถถอดรหัสสัญญาณ FM, PM หรือ QAM ได้อีกต่อไป


3
ขอบคุณสำหรับคำอธิบาย แต่ฉันยังไม่ชัดเจน คุณ "ตัวอย่างสัญญาณ 90 องศานอกเฟส" ได้อย่างไร คุณหมายถึงตัวอย่างที่สองถูกหน่วงเวลาเป็นระยะเวลาหนึ่งหรือไม่? การมี I และ Q ช่วยให้คุณวัดระยะสัมพัทธ์ได้อย่างไรเมื่อเทียบกับการดูตัวอย่างก่อนหน้านี้สองสามครั้งเพื่อดูว่ารูปแบบของคลื่นเป็นอย่างไร คุณหมายถึงอะไรโดย "รักษาความสัมพันธ์ของเฟสผ่านการแปลง" จะเกิดอะไรขึ้นถ้าความสัมพันธ์ของเฟสไม่ได้ถูกเก็บรักษาไว้? heterodyning สัญญาณเดียวทำให้เกิดสิ่งนี้หรือไม่?
Malvineous

ดูการแก้ไขของฉัน หวังว่ามันจะตอบคำถามเพิ่มเติมของคุณ
Dave Tweed

ขอบคุณ! น่าเสียดายที่ยังมีการโบกมือเล็กน้อย :-) คุณหมายความว่าถ้าคุณ 'heterodyne' ในด้านซอฟต์แวร์เพื่อให้สัญญาณเป้าหมายของคุณที่เบสแบนด์นั่นคือสิ่งที่คุณต้องการทั้งฉันและ Q? ทำไมแถบด้านข้างถึงถูกพับ มันเป็นเพราะมีไซด์แบนด์หนึ่งถูกเปลี่ยนเป็นความถี่ลบซึ่งจะปรากฏเป็นความถี่บวกด้วยการเลื่อนเฟสโดยยกเลิกไซด์แบนด์อื่นหรือไม่ บางทีนี่อาจอธิบายได้ว่าทำไมฉันถึงได้อ่านสิ่งต่าง ๆ เกี่ยวกับสัญญาณ I และ Q บางครั้งมีส่วนประกอบจินตภาพ
Malvineous

ใช่มันค่อนข้างสั้น
Dave Tweed

1
A=ผม2+Q2φ=aRเสื้อan(Qผม)

9

มันเกี่ยวข้องกับอัตราการสุ่มตัวอย่างและวิธีการที่นาฬิกาสุ่มตัวอย่าง (oscillator ท้องถิ่นหรือ LO) เกี่ยวข้องกับความถี่สัญญาณที่น่าสนใจ

อัตราความถี่ Nyquist เป็นความถี่สูงสุดสองเท่า (หรือแบนด์วิดท์) ในสเปกตรัมตัวอย่าง (เพื่อป้องกันนามแฝง) ของสัญญาณเบสแบนด์ แต่ในทางปฏิบัติได้รับสัญญาณความยาวแน่นอนและไม่ใช่สัญญาณทางคณิตศาสตร์อย่างสมบูรณ์แบบไม่ จำกัด สัญญาณ (เช่นเดียวกับความต้องการที่อาจเกิดขึ้นสำหรับตัวกรองที่ไม่ใช่กำแพงอิฐที่ใช้งานได้จริง) ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างสำหรับ DSP จะต้องสูงกว่าสองเท่าของความถี่สูงสุด . ดังนั้นการเพิ่มจำนวนตัวอย่างเป็นสองเท่าโดยเพิ่มอัตราตัวอย่าง (2X LO) เป็นสองเท่าจะยังคงต่ำเกินไป การเพิ่มอัตราตัวอย่างสี่เท่า (4X LO) จะทำให้คุณสูงกว่าอัตรา Nyquist อย่างมาก แต่การใช้อัตราตัวอย่างความถี่ที่สูงกว่านั้นจะมีราคาแพงกว่าในแง่ของส่วนประกอบวงจรประสิทธิภาพ ADC อัตราข้อมูล DSP, megaflops ที่ต้องการและอื่น ๆ

ดังนั้นการสุ่มตัวอย่าง IQ มักจะทำด้วย oscillator ท้องถิ่น (หรือค่อนข้างใกล้) ความถี่เดียวกับสัญญาณหรือคลื่นความถี่ที่น่าสนใจซึ่งจะเห็นได้ชัดวิธีที่ต่ำเกินไปความถี่การสุ่มตัวอย่าง (สำหรับสัญญาณเบสแบนด์) ตาม Nyquist หนึ่งตัวอย่างต่อรอบของคลื่นไซน์อาจทั้งหมดที่จุดผ่านศูนย์หรือทั้งหมดที่จุดสูงสุดหรือ ณ จุดใด ๆ ในระหว่างนั้น คุณจะไม่ได้เรียนรู้อะไรเกี่ยวกับสัญญาณไซน์ดังนั้น แต่ให้เรียกสิ่งนี้โดยไร้ประโยชน์ชุดของตัวอย่างของชุดตัวอย่าง IQ

แต่วิธีเพิ่มจำนวนตัวอย่างไม่ใช่แค่เพิ่มอัตราตัวอย่างเป็นสองเท่า แต่โดยเพิ่มตัวอย่างเล็กน้อยหลังจากรอบแรกในแต่ละรอบ ตัวอย่างสองตัวอย่างต่อวงห่างกันเล็กน้อยจะทำให้เราสามารถประเมินความชันหรืออนุพันธ์ได้ หากหนึ่งตัวอย่างอยู่ที่การข้ามศูนย์ตัวอย่างเพิ่มเติมจะไม่เป็นเช่นนั้น ดังนั้นคุณจะดีกว่ามากในการหาสัญญาณที่ถูกสุ่มตัวอย่าง สองจุดบวกกับความรู้ที่ว่าสัญญาณที่น่าสนใจเป็นระยะ ๆ ในอัตราตัวอย่าง (เนื่องจากการ จำกัด วงดนตรี) โดยปกติแล้วจะเพียงพอที่จะเริ่มประมาณค่าที่ไม่ทราบค่าของสมการ sinewave ที่เป็นที่ยอมรับ (แอมพลิจูดและเฟส)

แต่ถ้าคุณไปไกลเกินไปกับตัวอย่างที่สองไปครึ่งทางระหว่างกลุ่มตัวอย่างชุดแรกคุณจะพบว่ามีปัญหาเช่นเดียวกับการสุ่มตัวอย่าง 2X (ตัวอย่างหนึ่งอาจเป็นศูนย์บวกข้ามได้อีกตัวอย่างเป็นลบบอกคุณว่า ไม่มีอะไร) มันเป็นปัญหาเดียวกับ 2X ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างต่ำเกินไป

แต่บางที่ระหว่างสองตัวอย่างของชุดแรก (ชุด "ฉัน") มีจุดหวาน ไม่ซ้ำซ้อนเช่นเดียวกับการสุ่มตัวอย่างในเวลาเดียวกันและไม่เว้นระยะเท่ากัน (ซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มอัตราการสุ่มตัวอย่างสองเท่า) มีการชดเชยซึ่งให้ข้อมูลสูงสุดเกี่ยวกับสัญญาณด้วยค่าใช้จ่ายเป็นความล่าช้าที่แม่นยำสำหรับตัวอย่างเพิ่มเติมแทน ของอัตราตัวอย่างที่สูงขึ้นมาก ปรากฎว่าความล่าช้านั้น 90 องศา ซึ่งจะให้ชุดตัวอย่าง "Q" ที่มีประโยชน์มากซึ่งพร้อมกับชุด "I" ของคุณจะบอกคุณเกี่ยวกับสัญญาณมากกว่าทั้งคู่ อาจเพียงพอที่จะ demodulate AM, FM, SSB, QAM ฯลฯ ฯลฯ ในขณะที่การสุ่มตัวอย่างที่ซับซ้อนหรือ IQ ที่ความถี่ของผู้ให้บริการหรือใกล้มากแทนที่จะสูงกว่า 2X มาก

ที่เพิ่ม:

การชดเชย 90 องศาที่แน่นอนสำหรับกลุ่มตัวอย่างที่สองนั้นสอดคล้องกับเวกเตอร์องค์ประกอบพื้นฐานครึ่งหนึ่งใน DFT จำเป็นต้องใช้ชุดเต็มเพื่อแสดงข้อมูลที่ไม่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ อัลกอริทึม FFT ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นมักใช้ในการประมวลผลสัญญาณจำนวนมาก รูปแบบการสุ่มตัวอย่างที่ไม่ใช่ IQ อื่น ๆ อาจต้องการการประมวลผลข้อมูลล่วงหน้า (เช่นการปรับความไม่สมดุลของ IQ ใด ๆ ในเฟสหรือผลกำไร) หรือการใช้ FFT ที่ยาวขึ้นดังนั้นอาจมีประสิทธิภาพน้อยกว่าสำหรับการกรองหรือการแยก demodulation ทั่วไป การประมวลผล SDR ของข้อมูล IF

ที่เพิ่ม:

โปรดทราบว่าน้ำตกแบนด์วิดท์ของสัญญาณ SDR IQ ซึ่งอาจดูเป็นวงกว้างโดยทั่วไปจะแคบกว่าไอคิวเล็กน้อยหรืออัตราตัวอย่างที่ซับซ้อนเล็กน้อยแม้ว่าความถี่ศูนย์กลางที่ซับซ้อนล่วงหน้า - เฮเทอโรไดน์อาจสูงกว่าอัตราตัวอย่าง IQ มาก . ดังนั้นอัตราองค์ประกอบ (2 องค์ประกอบต่อคอมเพล็กซ์เดี่ยวหรือตัวอย่าง IQ) ซึ่งเป็นสองเท่าของอัตรา IQ สิ้นสุดลงสูงกว่าแบนด์วิดธ์ที่น่าสนใจเป็นสองเท่าดังนั้นจึงสอดคล้องกับการสุ่มตัวอย่าง Nyquist

ที่เพิ่ม:

คุณไม่สามารถสร้างสัญญาณพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสตัวที่สองด้วยตัวคุณเองเพียงแค่ชะลอการป้อนข้อมูลเนื่องจากคุณกำลังมองหาการเปลี่ยนแปลงระหว่างสัญญาณและสัญญาณ 90 องศาในภายหลัง และจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ หากคุณใช้ค่าสองค่าเดียวกัน เฉพาะในกรณีที่คุณสุ่มตัวอย่างสองครั้งต่างกันชดเชยเล็กน้อย


นี่คือความผิดพลาด ทั้งการสุ่มตัวอย่างองค์ประกอบเดียวที่อัตรา 2x และการสุ่มตัวอย่าง IQ เกี่ยวข้องกับการสุ่มตัวอย่างปริมาณเท่ากันและสามารถแสดงแบนด์วิดท์เดียวกันโดยไม่ต้องคลุมเครือ เทคโนโลยีการใช้งานที่แตกต่างกันอาจทำให้วิธีการหนึ่งหรืออื่น ๆ ที่น่าสนใจมากขึ้น
Chris Stratton

ข้อความแรกไม่เห็นด้วย (เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด) ในทางทฤษฎีสำหรับสัญญาณ bandlimited อย่างสมบูรณ์แบบทางคณิตศาสตร์บางที จวนไม่มี การสุ่มตัวอย่างอัตรา 2X เป็นวิธีที่มีความไวต่อเสียงและการกระวนกระวายใจเชิงปริมาณ (และอื่น ๆ ) ดังนั้นคำสั่งในภายหลังฉันเห็นด้วยกับ
hotpaw2

ความผิดพลาดของคุณคือการคิดว่าการสุ่มตัวอย่าง 2x นั้นไม่เพียงพอการสุ่มตัวอย่าง IQ แบบ 1x จะเป็นอย่างไร ไม่มีอาหารกลางวันฟรี
Chris Stratton

2
คำตอบนี้ยอดเยี่ยมจริง ๆ แล้วดีกว่าคำตอบที่เลือก ฉันอ่านคำตอบที่ต้องการ OP เลือกและไม่มีเงื่อนงำที่ดีกว่าเพราะเหตุใดจึงมีความจำเป็นสำหรับ 2 ตัวอย่างที่แยก 90 องศา อย่างไรก็ตามหลังจากอ่านคำตอบนี้มันชัดเจนสำหรับฉันว่าการล่าช้า 90 องศาของตัวอย่างที่ 2 มีประโยชน์อย่างไรและช่วยให้คุณได้รับข้อมูลเพิ่มเติม คำตอบนี้ไม่สมควรได้รับ downvote ดังนั้นฉันให้ upvote ที่นี่
Brian Onn

1
หากเราสามารถพิจารณาหากการสุ่มตัวอย่างและแอปพลิเคชันการ Undersampling (แพร่หลายใน SDR) จากนั้นจะอ่านได้อย่างถูกต้องมากขึ้นว่า "ความถี่การสุ่มตัวอย่างสำหรับ DSP จะต้องสูงกว่าแบนด์วิดท์สัญญาณสูงกว่าสองเท่า" (ซึ่งไม่ใช่สิ่งเดียว ความถี่สัญญาณ)
Dan Boschen

8

นี่เป็นหัวข้อง่ายๆที่เกือบจะไม่มีใครอธิบายได้ดีนัก สำหรับทุกคนที่ดิ้นรนเพื่อให้เข้าใจในเรื่องนี้ดูวิดีโอ W2AEW ของhttp://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m ในเวลาเพียง 16 นาทีเขาก็เริ่มจากซุปไปจนถึงถั่วแม้จะให้เดสซิลโลสโคปของเขากับวงจรสาธิต


ว้าวนั่นเป็นวิดีโอที่ให้ข้อมูลจริงๆ น่าเสียดายที่เขามุ่งเน้นไปที่การมอดูเลตส่วนใหญ่ในขณะที่คำถามของฉันเกี่ยวกับ demodulation เป็นหลัก เขาสัมผัสสิ่งนี้ในตอนท้ายและดูเหมือนว่ามีบางอย่างเกี่ยวข้องกับออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นที่อยู่ห่างออกไป 90 องศา บางทีวันหนึ่งอาจมีคนอธิบายวิธีที่บิตนี้ใช้งานได้! ฉันยังไม่รู้เลยว่าอุปกรณ์ดิจิตอลจะสามารถเก็บตัวอย่างได้ในช่วงเวลาที่กำหนดและยังคงอยู่ในระยะ 90 องศาสำหรับทั้งสัญญาณ 1MHz และสัญญาณ 2MHz!
Malvineous

2

IและQเป็นวิธีที่แตกต่างในการเป็นตัวแทนของสัญญาณ คุณคิดว่าสัญญาณเป็นคลื่นไซน์ไม่ว่าจะเป็นการมอดูเลตตามแอมพลิจูดความถี่หรือเฟส

คลื่นไซน์สามารถแสดงเป็นเวกเตอร์ ถ้าคุณจำเวคเตอร์ในคลาสฟิสิกส์คุณมักจะทำงานกับxและyส่วนประกอบของเวกเตอร์นั้น ( x'sรวมเข้าด้วยกันและy's) นั่นคือสิ่งที่IและQเป็นหลักX(กำลัง inphase - I) และY(การสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส - Q)

เมื่อคุณเป็นตัวแทนของคลื่นไซน์เช่นเวกเตอร์และทำให้ใช้ได้IและQมันอาจเป็นเรื่องง่ายมากที่จะมีซอฟต์แวร์เพื่อทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์เพื่อ demodulate สัญญาณ คอมพิวเตอร์ของคุณมีชิปเฉพาะ - กราฟิกการ์ดและการ์ดเสียงเป็นVECTORโปรเซสเซอร์ - พร้อมรีจิสเตอร์พิเศษเพื่อเก็บxและyส่วนประกอบสำหรับการคำนวณอย่างรวดเร็ว

นี่คือเหตุผลที่SDRต้องการและ I และอนุญาตให้โปรเซสเซอร์เวกเตอร์บนคอมพิวเตอร์ของคุณทำการ demodulation ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพQIQ


@DanielGrillo - ไม่จำเป็นจริงๆที่จะต้องเน้นข้อความธรรมดาย้อนหลังตลอดโพสต์ของบุคคลอื่น
Chris Stratton

@ChrisStratton คำตอบนี้อยู่ในรายการของLate คำตอบรีวิว ฉันเพิ่งทำสิ่งนี้เพราะมันอยู่ที่นั่น ฉันแค่พยายามช่วย
Daniel Grillo

ขอบคุณสำหรับคำตอบ. สิ่งนี้ช่วยอธิบายวิธีการใช้งานฉันและ Q แต่ไม่ใช่สิ่งที่เป็นจริงซึ่งเป็นประเด็นสำคัญของคำถาม การกล่าวว่าพวกมันเป็นองค์ประกอบของเวกเตอร์เพียงแค่ผลักคำถามกลับไปทำไมจึงเป็นตัวแทนของสัญญาณที่มีเวกเตอร์และเวกเตอร์หนึ่งในนั้นจะชี้ไปที่อะไร?
Malvineous
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.