¿Digital o analógico? ¿Cómo debo hacer la combinación y separación de Q y yo?

¿Cómo se deben combinar yo y Q? ¿Por medios analógicos o digitales? Este artículo discutirá los conceptos básicos de los enfoques de IQ analógico y digital.

Los moduladores IQ analógicos (para transmisores) y los demoduladores IQ (para receptores) se han utilizado durante décadas ([1] a [3]).

Recientemente, se han introducido nuevos convertidores A / D y D / A, que pueden muestrear directamente una FI entre 1 y 4 GHz; muestreo en la 2ª, 3ª y 4ª zona de Nyquist ([4] a [7]). Estos, combinados con la lógica digital de mayor velocidad, permiten que la combinación (para A / D) y la separación (para D / A) se realicen digitalmente ([8] a [21]). Esto se ilustra en la Figura 1 (a) (para un modulador) y la Figura 1 (b) (para un demodulador) con el Convertidor de datos (DAC o ADC) en la posición "D".

Figura 1 (a). Modulador

Figura 1 (b). Demodulador

Por otro lado, los combinadores y separadores analógicos I, Q integrados tienen muy buena correspondencia entre las rutas I y Q, resolviendo algunas de las objeciones de hacer estos procesos de manera analógica. La técnica analógica también requiere el doble de convertidores de datos (A / D o D / As) que el muestreo directo en IF, pero funcionan a velocidades de muestreo más bajas; por lo que son más baratos y requieren menos energía. Esto se ilustra en la Figura 1 (a) (para un modulador) y la Figura 1 (b) (para un demodulador) con el Convertidor de datos (DAC o ADC) en la posición "A".

El autor empieza a pensar en esta cuestión. Pidió opiniones sobre varios grupos de LinkedIn y recibió valiosas respuestas. Con la aprobación de los reconocidos, se reconocen a continuación. También descubrió toda la información que pudo sobre las propiedades de los circuitos integrados (CI) contemporáneos para estas funciones, y los resultados de los requisitos de rendimiento que se habían determinado para estos circuitos integrados. A partir de esto, trató de generar todas las conclusiones generales que pudieran extraerse para responder a la pregunta; "¿Deberían realizarse la modulación y la demodulación de IQ de forma analógica o digital?"

Enfoque de CI analógico

El enfoque del CI analógico ha existido durante décadas ([1] a [3]). Cualquier señal de FI o RF se puede representar mediante

R (t) =I (t) cos (2πft) + Q (t) sin (2πft)

donde f es la frecuencia portadora, I (t) se denomina componente en fase y Q (t) se denomina componente en cuadratura. Un modulador IQ analógico toma las señales de banda base I (t) y Q (t) y forma R (t). Esto se muestra en la Figura 1 (a) con los DAC en la posición A. Un demodulador IQ analógico toma como entrada R (t) y forma I (t) y Q (t). Esto se muestra en la Figura 1 (b) con los DAC en la posición A.

Un problema crítico con el enfoque analógico es mantener las ganancias a través de las dos rutas idénticas y la diferencia de fase exactamente de 90º. A veces se descuidan por estos requisitos los dos filtros de paso bajo. Deben coincidir exactamente en fase y ganancia para todas las frecuencias en las que existe una energía de señal significativa. En un artículo posterior se muestra una cuantificación más exacta de estos requisitos y las deficiencias causadas por las desviaciones de ellos.

Enfoque del CI digital

Los desarrollos recientes en convertidores de datos de alta velocidad (DAC y ADC) han llevado a las personas a evitar el problema de desequilibrio de IQ discutido en la sección Enfoque de IQ analógico mediante la implementación digital de las funciones de modulador y demodulador IQ, donde la ganancia y la fase se pueden producir sin error ([5], [8] a [21]). Para el caso del modulador, hay un DAC de alta velocidad en la salida, como se muestra en la Figura 1 (a) con el DAC en la posición D. Para el caso del demodulador, hay un ADC de alta velocidad en la entrada, como se muestra en Figura 1 (b) con el ADC en la posición B.

A menudo, estos enfoques digitales aprovechan el efecto de aliasing, utilizando lo que se denomina muestreo de paso de banda ([22] a [24]. [24A], [24B]). La figura 2 (a) muestra una forma de onda muestreada en el tiempo. La Figura 2 (b) muestra los espectros de la señal muestreada y sin muestrear. El reloj de muestra del ADC realiza la misma función que el oscilador local en un mezclador de RF. Para un ADC, un filtro analógico puede permitir que pase solo una señal en una zona de Nyquist, y esta acción de mezcla se puede usar para convertir una señal en esa zona de Nyquist a banda base.

Figura 2 (a). Muestreo en el dominio del tiempo

Figura 2 (b). El espectros de la señal muestreada y sin muestrear

Para los DAC, la salida se puede configurar a tiempo para mejorar el rendimiento a frecuencias más altas.

La Figura 3 (a) muestra una salida DAC "Normal" o "Sin retorno a cero" (NRZ). Después de cada muestra, la salida permanece constante hasta la siguiente muestra. El espectro analógico se muestra en la Figura 3 (b).

Figura 3 (a). Muestreo en el dominio del tiempo

Figura 3 (b).

La Figura 4 (a) muestra una salida DAC de “Regreso a cero” (RZ). Después de cada muestra, la salida permanece constante durante medio período de muestra y luego se pone a cero. Esto tiene el efecto de aumentar la amplitud en la segunda zona de Nyquist, como se muestra en la Figura 4 (b).

Figura 4 (a). Muestreo en el dominio del tiempo

Figura 4 (b).

La Figura 5 (a) muestra una salida DAC "Mix" o "RF". Después de cada muestra, la salida permanece constante durante la mitad de un período de muestra y luego pasa a un valor negativo. Esta es la misma operación que un mezclador que usa ambas polaridades de la forma de onda del oscilador local. El espectro analógico, que se muestra en la Figura 5 (b), tiene una amplitud aún mayor en la segunda zona de Nyquist. Después de crear una forma de onda a través de cualquiera de los métodos anteriores, las frecuencias deseadas deben filtrarse con un filtro de paso bajo o de paso de banda, para eliminar cualquier alias no deseado y respuestas espurias que pueda haber.

Figura 5 (a). Muestreo en el dominio del tiempo

Figura 5 (b).

El enfoque digital evita cualquier problema con el desequilibrio en cuadratura. Sin embargo, todos los convertidores de datos tienen sus propias imparticiones no deseadas, debido a los efectos de cuantificación y muestreo. Algunos de estos efectos se mostrarán en el próximo artículo. El costo y los requisitos de energía de estos convertidores de datos de alta velocidad también suelen ser altos, en comparación con las redes IQ analógicas.

Agradecimientos

Cuando las preguntas abordadas en este informe aparecieron por primera vez en la mente del autor, solicitó comentarios a través de algunos grupos de LinkedIn. Se recibieron varias respuestas útiles. Quienes dieron permiso para que se use su información personal son; Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Egypt), Dieter Joos (ON Semiconductor) y Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). El autor también agradece a su esposa, Elizabeth, quien probablemente se preguntó qué estaba haciendo su esposo; aislado en la oficina de su casa, haciendo un trabajo por el que aparentemente no se le pagaba.

Referencias

Las siguientes referencias se utilizarán para cada uno de los artículos de esta serie.

Moduladores y demoduladores de IQ analógicos:descripciones generales

[1] Shou-Hsien Weng; Che-Hao Shen; Hong-Yeh Chang, "Un modulador / demodulador CMOS IQ bidireccional de ancho de banda de modulación amplia para aplicaciones de microondas y gigabit de onda milimétrica", Conferencia de circuitos integrados de microondas (EuMIC), 2012 7th European, vol., No., Pp.8,11, 29-30 de octubre de 2012

[2] Eamon Nash; "Corrección de imperfecciones en moduladores de IQ para mejorar la fidelidad de la señal de RF"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-1039; 2009

[3] Anon; "Un receptor de banda base a FI basado en un demodulador IQ con ganancia variable de banda base y FI y filtrado de banda base programable"; Circuito de dispositivos analógicos Nota CN-0320; 2013

Convertidores de datos de alta velocidad (DAC y ADC); Información general

[4] Justin Munson; "Comprensión de las pruebas y la evaluación de DAC de alta velocidad"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-928; 2013

[5] Engel, G .; Fague, D.E .; Toledano, A, "Los convertidores RF de digital a analógico permiten la síntesis directa de señales de comunicaciones", Revista Comunicaciones, IEEE, vol.50, no.10, pp.108, 116, octubre de 2012

[6] Chris Pearson; "Conceptos básicos de convertidores digitales a analógicos de alta velocidad"; Informe de solicitud de Texas Instruments SLAA523A; 2012

[7] Alex Arrants, Brad Brannon y Rob Reeder; "Comprensión de las pruebas y la evaluación de ADC de alta velocidad"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-835, 2010.

Moduladores y demoduladores de IQ digitales

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Muestreo de paso de banda (Rev .04 cambió "muestreo de subarmónicos" a "muestreo de paso de banda)

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Efectos del desequilibrio del coeficiente intelectual, no se propone compensación ni explotación

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7.6 Efectos del desequilibrio del coeficiente intelectual, compensación o explotación propuesta

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7.9 Agregación de operadores para LTE avanzado; Requisitos espectrales de banda ancha.

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