Digitaal of analoog? Hoe moet ik en Q combineren en scheiden?

Hoe moet ik en Q combineren? Via analoge of digitale middelen? In dit artikel worden de basisprincipes van de analoge en digitale IQ-benaderingen besproken.

Analoge IQ-modulators (voor zenders) en IQ-demodulators (voor ontvangers) worden al tientallen jaren gebruikt ([1] tot [3]).

er zijn onlangs nieuwe A/D- en D/A-converters geïntroduceerd, die rechtstreeks een IF kunnen bemonsteren van 1 tot 4 GHz; bemonstering in de 2e, 3e en 4e Nyquist-zones ([4] tot [7]). Deze, gecombineerd met snellere digitale logica, maken het mogelijk om het combineren (voor A/D) en scheiding (voor D/A) digitaal te doen ([8] tot [21]). Dit wordt geïllustreerd in figuur 1(a) (voor een modulator) en figuur 1(b) (voor een demodulator) met de dataconverter (DAC of ADC) in positie "D".

Figuur 1(a). Modulator

Figuur 1(b). Demodulator

Aan de andere kant hebben geïntegreerde analoge I-, Q-combineerders en -scheiders een zeer goede afstemming tussen de I- en Q-paden, waardoor een aantal van de bezwaren om deze processen analoog uit te voeren, worden opgelost. De analoge techniek vereist ook tweemaal zoveel dataconverters (A/D's of D/As) als directe bemonstering bij IF, maar ze werken met lagere bemonsteringsfrequenties; dus ze zijn goedkoper en hebben minder stroom nodig. Dit wordt geïllustreerd in figuur 1(a) (voor een modulator) en figuur 1(b) (voor een demodulator) met de dataconverter (DAC of ADC) in positie "A".

De auteur begint na te denken over deze vraag. Hij vroeg om meningen over verschillende LinkedIn-groepen en kreeg waardevolle antwoorden. Met instemming van de erkentenissen worden ze hieronder erkend. Hij vond ook alle informatie die hij kon vinden over de eigenschappen van hedendaagse Integrated Circuits (IC's) voor deze functies, en de resultaten van de prestatie-eisen die voor deze IC's waren vastgesteld. Hieruit probeerde hij alle algemene conclusies te trekken die konden worden getrokken om de vraag te beantwoorden; "Moeten IQ-modulatie en -demodulatie analoog of digitaal worden gedaan?"

Analoge IQ-benadering

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

R(t) =I(t)cos(2πft) +Q(t)sin(2πft)

waar f de draaggolffrequentie is, wordt I(t) de component in fase genoemd en Q(t) wordt de kwadratuurcomponent genoemd. Een analoge IQ-modulator neemt de basisbandsignalen I(t) en Q(t) en vormt R(t). Dit wordt getoond in figuur 1(a) met de DAC's in positie A. Een analoge IQ-demodulator neemt als ingang R(t) en vormt I(t) en Q(t). Dit wordt getoond in figuur 1(b) met de DAC's in positie A.

Een kritiek probleem met de analoge benadering is dat de versterkingen via de twee paden identiek blijven en dat het faseverschil precies 90º is. Soms verwaarloosd voor deze vereisten zijn de twee laagdoorlaatfilters. Ze moeten exact gelijk zijn aan versterking en fase-afstemming voor alle frequenties waar er een significante signaalenergie is. Een exactere kwantificering van deze vereisten en de stoornissen die worden veroorzaakt door afwijkingen daarvan, worden in een later artikel weergegeven.

Digitale IQ-aanpak

Recente ontwikkelingen op het gebied van snelle dataconverters (DAC's en ADC's) hebben ertoe geleid dat mensen het IQ-onbalansprobleem, besproken in de sectie Analoge IQ-aanpak, hebben vermeden door de IQ-modulator- en demodulatorfuncties digitaal te implementeren, waarbij de versterking en fase kunnen worden geproduceerd zonder fout ([5], [8] tot [21]). Voor het geval van de modulator is er een snelle DAC aan de uitgang, zoals weergegeven in figuur 1 (a) met de DAC in positie D. Voor het geval van de demodulator is er een snelle ADC aan de ingang, zoals weergegeven in Afbeelding 1(b) met de ADC in positie B.

Vaak maken deze digitale benaderingen gebruik van het aliasing-effect, met behulp van zogenaamde bandpass-sampling ([22] tot [24]. [24A], [24B]). Figuur 2(a) toont een golfvorm die in de tijd is bemonsterd. Figuur 2(b) toont de spectra van het niet-bemonsterde en bemonsterde signaal. De sampleklok van de ADC vervult dezelfde functie als de lokale oscillator in een RF-mixer. Voor een ADC kan een analoog filter slechts een signaal in één Nyquist-zone doorlaten, en deze mengactie kan worden gebruikt om een ​​signaal in die Nyquist-zone naar de basisband om te zetten.

Afbeelding 2(a). Sampling in tijddomein

Figuur 2(b). De spectra van het onbemonsterde en bemonsterde signaal

Voor DAC's kan de output op tijd worden gevormd om de prestaties bij hogere frequenties te verbeteren.

Afbeelding 3(a) toont een "Normale" of "Non-Return to Zero" (NRZ) DAC-uitgang. Na elk monster blijft de output constant tot het volgende monster. Het analoge spectrum wordt getoond in figuur 3(b).

Figuur 3(a). Sampling in tijddomein

Figuur 3(b).

Afbeelding 4(a) toont een "Return to Zero" (RZ) DAC-uitgang. Na elke bemonstering blijft de uitvoer een halve bemonsteringsperiode constant en gaat dan naar nul. Dit heeft als effect dat de amplitude in de tweede Nyquist-zone toeneemt, zoals weergegeven in figuur 4(b).

Figuur 4(a). Sampling in tijddomein

Figuur 4(b).

Afbeelding 5(a) toont een "Mix" of "RF" DAC-uitgang. Na elke bemonstering blijft de uitvoer gedurende een halve bemonsteringsperiode constant en wordt dan die waarde negatief. Dit is dezelfde werking als een mixer die beide polariteiten van de Local Oscillator-golfvorm gebruikt. Het analoge spectrum, weergegeven in figuur 5(b), heeft een nog grotere amplitude in de tweede Nyquist-zone. Nadat een golfvorm is gemaakt via een van de bovenstaande methoden, moeten de gewenste frequenties worden uitgefilterd met een laagdoorlaat- of banddoorlaatfilter, om eventuele ongewenste alias en onechte reacties te verwijderen.

Figuur 5(a). Sampling in tijddomein

Figuur 5(b).

De digitale aanpak voorkomt problemen met kwadratuuronbalans. Alle dataconverters hebben echter hun eigen ongewenste effecten als gevolg van kwantiserings- en bemonsteringseffecten. Sommige van deze effecten zullen in het volgende artikel worden getoond. De kosten en stroomvereisten van deze snelle dataconverters zijn ook vaak hoog in vergelijking met analoge IQ-netwerken.

Erkenningen

Toen de vragen in dit rapport voor het eerst in de geest van de auteur opkwamen, vroeg hij om commentaar via enkele LinkedIn-groepen. Er kwamen verschillende bruikbare reacties binnen. Degenen die toestemming hebben gegeven voor het gebruik van hun persoonlijke gegevens zijn; Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Egypte), Dieter Joos (ON Semiconductor) en Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). De auteur bedankt ook zijn vrouw, Elizabeth, die zich waarschijnlijk afvroeg wat haar man van plan was; afgezonderd in zijn thuiskantoor en werk deed waarvoor hij blijkbaar niet werd betaald.

Referenties

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

Analoge IQ-modulators en -demodulators:algemene beschrijvingen

[1] Shou-Hsien Weng; Che-Hao Shen; Hong-Yeh Chang, "Een bidirectionele CMOS IQ-modulator/demodulator met brede modulatiebandbreedte voor microgolf- en millimetergolf-gigabittoepassingen", Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2012 7th European, vol., nr., pp.8,11, 29-30 okt. 2012

[2] Eamon Nash; "Onvolkomenheden in IQ-modulators corrigeren om de RF-signaalgetrouwheid te verbeteren"; Toepassingsnota analoge apparaten AN-1039; 2009

[3] Anoniem; "Een op IQ-demodulator gebaseerde IF-naar-Baseband-ontvanger met IF en Baseband Variable Gain en Programmeerbare Baseband Filtering"; Analoge apparaten Circuit Opmerking CN-0320; 2013

High Speed ​​Data Converters (DAC's en ADC's); Algemene informatie

[4] Justin Munson; "Inzicht in het testen en evalueren van DAC's met hoge snelheid"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013

[5] Engel, G.; Fague, DE; Toledano, A, "RF digitaal-naar-analoog-converters maken directe synthese van communicatiesignalen mogelijk", Communications Magazine, IEEE, vol.50, no.10, pp.108, 116, oktober 2012

[6] Chris Pearson; "Hoge snelheid, digitaal naar analoog converters Basics"; Texas Instruments-toepassingsrapport SLAA523A; 2012

[7] Alex Arrants, Brad Brannon en Rob Reeder; "Inzicht in het testen en evalueren van ADC met hoge snelheid"; Analog Devices Application Note AN-835, 2010.

Digitale IQ-modulators en -demodulators

[8] Samueli, H.; Wong, BC, "Een VLSI-architectuur voor een snelle, volledig digitale kwadratuurmodulator en demodulator voor digitale radiotoepassingen", Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol.8, no.8, pp.1512,1519, oktober 1990

[9] Wong, B.C.; Samueli, H., "Een 200-MHz volledig digitale QAM-modulator en demodulator in 1,2-nm CMOS voor digitale radiotoepassingen," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.26, no.12, pp.1970, 1980 , december 1991

[10] Ken Gentile; "Digitale kwadratuurmodulatorversterking"; Toepassingsnota analoge apparaten AN-924; 2009

[11] Lou, J.H.; Kuo, JB, "Een 1,5-V CMOS volledig N-logica echt enkelfasig bootstrap dynamisch-logisch circuit geschikt voor lage voedingsspanning en snelle pijplijnsysteemwerking," Circuits and Systems II:analoge en digitale signaalverwerking, IEEE Transactions on, vol.46, no.5, pp.628.631, mei 1999

[12] Vankka, J.; Sommarek, J.; Ketola, J.; Teikari, ik; Halonen, K. AI, "Een digitale kwadratuurmodulator met on-chip D/A-converter," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.38, no.10, pp.1635, 1642, oktober 2003

[13] Yanlin Wu; Dengwei Fu; Willson, A, "A 415 MHz directe digitale kwadratuurmodulator in 0,25-nm CMOS", Custom Integrated Circuits Conference, Proceedings of the IEEE 2003, vol., nr., pp.287.290, 21-24 september 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, juni 1997

[16] Parikh, VK; 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, november 2009

[17] Alavi, MS; Staszewski, RB; de Vreede, LCN; 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 DEFENSE RESEARCH INSTELLING OTTAWA TECHNISCHE OPMERKING 92-10; 1992

[19] Ziomek, C.; Corredoura, P., "Digital I/Q demodulator," Particle Accelerator Conference, 1995., Proceedings of the 1995, vol.4, nr., pp.2663,2665 vol.4,1-5 mei 1995

[20] Ho, KC; Chan, YT; Inkol, R., "A digital quadrature demodulation system", Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, vol.32, no.4,pp.1218,1227, oktober 1996

[21] Bravo, A; Cruz-Roldan, F., "Digital quadrature demodulator with four phase mixing for digital radio receivers," Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, vol.50, no.12, pp.1011,1015, december 2003

Bandpass-sampling (Rev.04 veranderde "subharmonische sampling" in "bandpass-sampling)

[22] Parssinen, A; Magoon, R.; Lang, SI; Porra, Veikko, "A 2-GHz subharmonic sampler for signal downconversion," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.45, no.12, pp.2344, 2351, december 1997

[23] Jensen, BS; Schmidl Sobjaerg, S.; Skou, N.; Krozer, V., "Compact front-end prototype voor de volgende generatie RFI-afwijzende polarimetrische L-band radiometer", Microwave Conference, 2009. EuMC 2009. European, vol., no., pp.1626, 1629, 29 sept. 2009 -okt. 1 2009

[24] Ahmed, S.; Saad El Dine, M.; Reveyrand, T.; Neveux, G.; Barataud, D.; Nebus, JM, "Tijddomeinmeetsysteem met Track &Hold-versterker toegepast op gepulste RF-karakterisering van krachtige GaN-apparaten", Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International, vol., nr., pp.1 ,4, 5-10 juni 2011

[24A] Akos, D.M.; Stockmaster, M.; Tsui, J.BY; Caschera, J., "Directe bandpass-sampling van meerdere afzonderlijke RF-signalen", Communications, IEEE Transactions on, vol.47, no.7, pp.983.988, juli 1999

[24B] Ching-Hsiang Tseng; Sun-Chung Chou, "Directe downconversie van meerdere RF-signalen met behulp van bandpass-sampling", Communications, 2003. ICC '03. IEEE International Conference on, vol.3, nr., pp.2003,2007 vol.3, 11-15 mei 2003

Effecten van IQ-onbalans, geen compensatie of uitbuiting voorgesteld

[25] Lopez-Martinez, FJ; Martos-Naya, E.; Parijs, JF; Entrambasaguas, JT, "Exacte BER-analyse in gesloten vorm van OFDM-systemen in aanwezigheid van IQ-onevenwichtigheden en ICSI", draadloze communicatie, IEEE-transacties op, vol.10, no.6, pp.1914, 1922, juni 2011

[26] Yaning Zou; Valkama, M.; Renfors, M., "Prestatieanalyse van ruimte-tijdgecodeerde MIMO-OFDM-systemen onder I / Q-onbalans", akoestiek, spraak- en signaalverwerking, 2007. ICASSP 2007. IEEE International Conference on, vol.3, nr., pp. III-341, III-344, 15-20 april 2007

[27] Chia-Liang Liu, "Impacts of I/Q-onbalans op QPSK-OFDM-QAM-detectie," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.44, no.3, pp.984, 989, aug. 1998

[28] Heung-Gyoon Ryu, "Diversiteitseffect van OFDM-communicatie met IQ-onbalans in het Rayleigh-fadingkanaal", communicatiesoftware en netwerken, 2010. ICCSN '10. Tweede Internationale Conferentie over, vol., nr., pp.489, 493, 26-28 februari 2010

[29] Stroet, P.; "Fase- en vertragingsfouten nauwkeurig meten in I/Q-modulators"; Linear Technology Application Note 102; AN102-1; Oktober 2005

7.6 Effecten van IQ-onbalans, voorgestelde compensatie of uitbuiting

[30] Tarighat, A; Sayed, AH, "Gezamenlijke compensatie van zender- en ontvangerstoornissen in OFDM-systemen", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.6, no.1, pp.240, 247, januari 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, mei 2014

[32] Narasimhan, B.; Narayanan, S.; Minn, H.; Al-Dhahir, N., "Basisbandcompensatie met verminderde complexiteit van gezamenlijke Tx/Rx I/Q-onbalans in mobiele MIMO-OFDM", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.9, no.5, pp.1720,1728, mei 2010

[33] Ozdemir, O.; Hamila, R.; Al-Dhahir, N., "I/Q-onbalans in Multiple Beamforming {OFDM} Transceivers:SINR Analysis and Digital Baseband Compensation," Communications, IEEE Transactions on, vol.61, no.5, pp.1914, 1925, mei 2013

[34] Inamori, M.; Bostamam, AM.; Sanada, Y.; Minami, H., "IQ-onbalanscompensatieschema in aanwezigheid van frequentie-offset en dynamische DC-offset voor een ontvanger met directe conversie", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.8, no.5, pp.2214,2220, mei 2009

[35] Tarighat, A; Sayed, AH., "MIMO OFDM-ontvangers voor systemen met IQ-onevenwichtigheden", signaalverwerking, IEEE-transacties op, vol.53, no.9, pp.35833596, september 2005

[36] Hai Lin; Yamashita, K., "Subcarrier-toewijzingsgebaseerde compensatie voor carrier-frequentie-offset en I/Q-onevenwichtigheden in OFDM-systemen", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.8, no.1, pp.18,23, januari 2009

P>

7.7 Vereisten voor BaseBand DAC's en ADC's

[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 okt. 2004

Vereisten voor RF DACS en ADC's; en voor RF-niet-lineariteiten

[38] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, AG., "Effects of bandpass sigma-delta modulation on OFDM-signalen," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.45, no.2, pp.318.326, mei 1999

[39] Maurer, L.; Schelmbauer, W.; Pretl, H.; Springer, A; Adler, B.; Boos, Z.; Weigel, R., "Influence of receiver front-end non-linearities on W-CDMA-signalen", Microwave Conference, 2000 Asia-Pacific, vol., nr., 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, mei 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, december 2006

7.9 Carrier-aggregatie voor LTE-advanced; Breedband spectrale vereisten.

[42] Pedersen, K.I; Frederiksen, F.; Rosa, C.; Nguyen, H.; Garcia, LGU; Yuanye Wang, "Carrier-aggregatie voor LTE-advanced:functionaliteit en prestatieaspecten", Communications Magazine, IEEE, vol.49, no.6, pp.89,95, juni 2011