Analoge vs Digitale IQ-combinatie: De Juiste Benadering Kiezen voor Je RF-systeem

Hoe moet I en Q combineren worden gedaan? Via analoge of digitale middelen? Dit artikel bespreekt de basis van de analoge en digitale IQ-benaderingen.

Analoge IQ-modulatoren (voor zenders) en IQ-demodulatoren (voor ontvangers) worden al decennia gebruikt ([1] tot [3]).

Recentelijk zijn nieuwe A/D en D/A-converters geïntroduceerd, die een IF direct kunnen samplen van 1 tot 4 GHz; samplen in de 2e, 3e en 4e Nyquist-zones ([4] tot [7]). Deze, gecombineerd met hogere-snelheid digitale logica, stellen het combineren (voor A/D) en scheiden (voor D/A) digitaal te doen ([8] tot [21]). Dit is geïllustreerd in Figuur 1(a) (voor een modulator) en Figuur 1(b) (voor een demodulator) met de Data Converter (DAC of ADC) in positie "D".

 

Figuur 1(a). Modulator

 

Figuur 1(b). Demodulator

 

Aan de andere kant, geïntegreerde analoge I, Q-combiners en scheiders hebben heel goede matching tussen de I en Q-paden, wat sommige bezwaar tegen het analoge doen van deze processen oplost. De analoge techniek vereist ook tweemaal zoveel data-converters (A/Ds of D/As) dan direct samplen op IF, maar ze draaien op lagere sample-rates; dus ze zijn goedkoper en vereisen minder vermogen. Dit is geïllustreerd in Figuur 1(a) (voor een modulator) en Figuur 1(b) (voor een demodulator) met de Data Converter (DAC of ADC) in positie "A".

De auteur begon na te denken over deze vraag. Hij vroeg meningen op diverse LinkedIn-groepen, en ontving waardevolle antwoorden. Met toestemming van de erkenden, worden hieronder erkend. Hij vond ook zoveel informatie mogelijk over de eigenschappen van hedendaagse geïntegreerde schakelingen (ICs) voor deze functies, en de resultaten van welke prestatie-eisen waren bepaald voor deze ICs. Hieruit probeerde hij algemene conclusies te trekken om de vraag te beantwoorden: "Moeten IQ-modulatie en demodulatie Analoog of Digitaal gedaan worden?"

 

Analoge IQ-benadering

De analoge IQ-benadering bestaat al decennia ([1] tot [3]). Elk IF of RF-signaal kan voorgesteld worden door

 

R(t) = I(t)cos(2πft) + Q(t)sin(2πft)

 

waar f de draagfrequentie is, I(t) de In-Fase-component heet, en Q(t) de Kwadratuur-component. Een analoge IQ-modulator neemt de basibandsignalen I(t) en Q(t) en vormt R(t). Dit wordt getoond in Figuur 1(a) met de DACs in positie A. Een analoge IQ-demodulator neemt R(t) als input, en vormt I(t) en Q(t). Dit wordt getoond in Figuur 1(b) met de DACs in positie A.

Een kritiek probleem met de analoge benadering is het handhaven van de gains door de twee paden identiek te zijn, en de faseverschil precies 90° te zijn. Soms verwaarloosd voor deze eisen zijn de twee Laagdoorlaatfilters. Ze zouden exact gain- en fase-gematched moeten zijn voor alle frequenties waar significant signaalenergie is. Meer exacte kwantificering van deze eisen, en de verstoringen veroorzaakt door afwijkingen ervan, worden in een later artikel getoond.

 

Digitale IQ-benadering

Recente ontwikkelingen in hoge-snelheid data-converters (DACs en ADCs), hebben ertoe geleid dat mensen het IQ-balansprobleem besproken in de Analoge IQ-benadering-sectie vermijden door de IQ-modulator- en demodulator-functies digitaal te implementeren, waar de gain en fase zonder fout geproduceerd kunnen worden ([5], [8] tot [21]). Voor de modulator-case is er een hoge-snelheid DAC aan de uitgang, zoals getoond in Figuur 1(a) met de DAC in positie D. Voor de demodulator-case is er een hoge-snelheid ADC aan de ingang, zoals getoond in Figuur 1(b) met de ADC in positie B.

Vaak profiteren deze digitale benaderingen van het aliasing-effect, gebruikmakend van wat bandpas-sampling genoemd wordt ([22] tot [24]. [24A], [24B]). Figuur 2(a) toont een golfform die in de tijd gesampled wordt. Figuur 2(b) toont de spectra van de onge-samplede en gesamplede signalen. De sample-klok van de ADC voert dezelfde functie uit als de Local Oscillator in een RF-mixer. Voor een ADC, kan een analoog filter alleen een signaal in één Nyquist-zone doorlaten, en deze mixing-actie kan gebruikt worden om een signaal in die Nyquist-zone naar basisband te downconverteren.

 

Figuur 2(a). Samplen in Tijddomein

 

Figuur 2(b). De spectra van de onge-samplede en gesamplede signalen

 

Voor DACs, kan de uitgang in de tijd gevormd worden om de prestaties op hogere frequenties te verbeteren.

 

Figuur 3(a) toont een "Normale" of "Non-Return to Zero" (NRZ) DAC-uitgang. Na elke sample blijft de uitgang constant tot de volgende sample. Het analoog spectrum wordt getoond in Figuur 3(b).

 

Figuur 3(a). Samplen in Tijddomein

 

Figuur 3(b).

 

Figuur 4(a) toont een "Return to Zero" (RZ) DAC-uitgang. Na elke sample blijft de uitgang constant voor een halve sample-periode, en gaat dan naar nul. Dit heeft het effect van het verhogen van de amplitude in de tweede Nyquist-zone, zoals getoond in Figuur 4(b).

 

Figuur 4(a). Samplen in Tijddomein

 

Figuur 4(b).

 

Figuur 5(a) toont een "Mix" of "RF" DAC-uitgang. Na elke sample blijft de uitgang constant voor een halve sample-periode, en gaat dan naar negatieve die waarde. Dit is dezelfde operatie als een mixer die beide polariteiten van de Local Oscillator-golfform gebruikt. Het analoog spectrum, getoond in Figuur 5(b), heeft een nog grotere amplitude in de tweede Nyquist-zone. Na een golfform gecreëerd via een van de bovenstaande methoden, moeten de gewenste frequenties gefilterd worden met een Laagdoorlaat- of Bandpasfilter, om ongewenste alias- en spurieuze responsen te verwijderen.

 

Figuur 5(a). Samplen in Tijddomein

 

Figuur 5(b).

 

De digitale benadering vermijdt elk probleem met kwadratuur-onbalans. Echter, alle data-converters hebben hun eigen ongewenste impairing, door kwantisatie- en sampling-effecten. Sommige van deze effecten zullen in het volgende artikel getoond worden. De kosten en vermogenseisen van deze hoge-snelheid data-converters zijn ook vaak hoog, vergeleken met analoge IQ-netwerken.

 

Erkenningen

Toen de vragen behandeld in dit rapport voor het eerst in de gedachten van de auteur verschenen, vraagde hij comments via enkele LinkedIn-groepen. Verschillende nuttige reacties werden ontvangen. Wie toestemming gaven voor hun persoonlijke informatie te gebruiken zijn; Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Egypt), Dieter Joos (ON Semiconductor), en Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). De auteur bedankt ook zijn vrouw, Elizabeth, die zich waarschijnlijk afvroeg wat haar man aan het doen was; geïsoleerd in zijn thuiskantoor, werkend aan werk waar hij blijkbaar niet voor betaald werd.

 

Referenties

De volgende referenties zullen gebruikt worden voor elk van de artikelen in deze serie.

 

Analoge IQ-modulatoren en Demodulatoren: Algemene Beschrijvingen

[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

 

Hoge-snelheid Data-converters (DACs en ADCs); Algemene Informatie

[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 en Rob Reeder; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-835, 2010.

 

Digtale IQ-modulatoren en Demodulatoren

[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 en 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

 

Bandpas-sampling (Rev .04 gewijzigd "subharmonic sampling" naar "bandpas-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 bandpas-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 bandpas-sampling," Communications, 2003. ICC '03. IEEE International Conference on , vol.3, no., pp.2003,2007 vol.3, 11-15 May 2003

 

Effecten van IQ-onbalans, geen compensatie of exploitatie voorgesteld

[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 Effecten van IQ-onbalans, compensatie of exploitatie voorgesteld

[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 Vereisten voor BaseBand DACs en ADCs

[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

 

Vereisten voor RF DACs en ADCs; en voor RF Non-lineariteiten

[38] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, AG., "Effects of bandpas-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 Carrier aggregation voor LTE-advanced; Wideband spectrale vereisten.

[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