Combinación analógica vs digital IQ: Seleccionando el enfoque correcto para su sistema RF

¿Cómo debe hacerse la combinación I y Q? ¿Por medios analógicos o digitales? Este artículo discute los fundamentos de los enfoques analógico y digital IQ.

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

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

Figura 1(a). Modulador

Figura 1(b). Demodulador

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

El autor empezó a pensar en esta pregunta. Pidió opiniones en varios grupos de LinkedIn y recibió respuestas valiosas. Con la aprobación de los reconocidos, se agradecen a continuación. También encontró toda la información que pudo sobre las propiedades de Circuitos Integrados (ICs) contemporáneos para estas funciones, y los resultados de los requisitos de rendimiento determinados para estos ICs. A partir de esto, intentó generar conclusiones generales para responder: "¿Deberían la modulación y demodulación IQ hacerse analógica o digitalmente?".

Enfoque IQ analógico

El enfoque IQ analógico existe desde décadas ([1] a [3]). Cualquier señal IF o RF puede representarse por

R(t) = I(t)cos(2πft) + Q(t)sen(2πft)

donde f es la frecuencia de portadora, I(t) se llama componente En-Fase, y Q(t) se llama 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 Figura 1(a) con los DACs en posición A. Un demodulador IQ analógico toma como entrada R(t), y forma I(t) y Q(t). Esto se muestra en Figura 1(b) con los DACs en posición A.

Un problema crítico del enfoque analógico es mantener las ganancias a través de las dos rutas idénticas, y la diferencia de fase exactamente 90°. A veces se descuidan para estos requisitos los dos Filtros Pasa-Bajos. Deben tener ganancia y fase exactamente igualadas para todas las frecuencias donde hay energía de señal significativa. Una cuantificación más exacta de estos requisitos, y los deterioros causados por desviaciones de ellos, se muestran en un artículo posterior.

Enfoque IQ digital

Desarrollos recientes en convertidores de datos de alta velocidad (DACs y ADCs), han llevado a evitar el problema de desbalance IQ discutido en la sección Enfoque IQ Analógico implementando las funciones de Modulador y Demodulador IQ digitalmente, donde la ganancia y fase pueden producirse sin error ([5], [8] a [21]). Para el caso del modulador, hay un DAC de alta velocidad en la salida, como se muestra en Figura 1(a) con el DAC en 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 posición B.

A menudo estos enfoques digitales aprovechan el efecto de aliasing, usando lo que se llama muestreo de banda pasante ([22] a [24], [24A], [24B]). La Figura 2(a) muestra una forma de onda muestreada en tiempo. La Figura 2(b) muestra los espectros de la señal no muestreada y muestreada. El reloj de muestreo del ADC realiza la misma función que el Oscilador Local en un mezclador RF. Para un ADC, un filtro analógico puede permitir que solo una señal en una zona de Nyquist pase, y esta acción de mezcla puede usarse para bajar una señal en esa zona de Nyquist a banda base.

Figura 2(a). Muestreo en Dominio Temporal

Figura 2(b). Los espectros de la señal no muestreada y muestreada

Para DACs, la salida puede moldearse en tiempo para mejorar rendimiento a frecuencias más altas.

La Figura 3(a) muestra una salida DAC "Normal" o "Non-Return to Zero" (NRZ). Tras cada muestra, la salida permanece constante hasta la siguiente muestra. El espectro analógico se muestra en Figura 3(b).

Figura 3(a). Muestreo en Dominio Temporal

Figura 3(b).

La Figura 4(a) muestra una salida DAC "Return to Zero" (RZ). Tras cada muestra, la salida permanece constante medio período de muestra, y luego va a cero. Esto tiene el efecto de aumentar la amplitud en la segunda zona de Nyquist, como se muestra en Figura 4(b).

Figura 4(a). Muestreo en Dominio Temporal

Figura 4(b).

La Figura 5(a) muestra una salida DAC "Mix" o "RF". Tras cada muestra, la salida permanece constante medio período de muestra, y luego va a negativo de ese valor. Esta es la misma operación que un mezclador que usa ambas polaridades de la forma de onda del Oscilador Local. El espectro analógico, mostrado en Figura 5(b), tiene una amplitud aún mayor en la segunda zona de Nyquist. Tras crear una forma de onda vía cualquiera de los métodos anteriores, las frecuencias deseadas deben filtrarse con un filtro Pasa-Bajos o Pasa-Banda, para eliminar respuestas alias y espurias no deseadas.

Figura 5(a). Muestreo en Dominio Temporal

Figura 5(b).

El enfoque digital evita cualquier problema con desbalance de cuadratura. Sin embargo, todos los convertidores de datos tienen sus propios deterioros no deseados, debido a efectos de cuantización y muestreo. Algunos de estos efectos se mostrarán en el próximo artículo. Los requisitos de coste y potencia de estos convertidores de datos de alta velocidad también son a menudo altos, comparados a redes IQ analógicas.

Agradecimientos

Cuando las preguntas abordadas en este informe aparecieron primero en la mente del autor, solicitó comentarios a través de algunos grupos de LinkedIn. Se recibieron varias respuestas útiles. Aquellos que dieron permiso para usar su información personal son: Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Egipto), Dieter Joos (ON Semiconductor) y Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). El autor también agradece a su esposa, Elizabeth, que probablemente se preguntaba qué hacía su marido; aislado en su oficina en casa, haciendo trabajo por el que aparentemente no le pagaban.

Referencias

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

Moduladores y Demoduladores IQ Analógicos: Descripciones Generales

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[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

Convertidores de Datos de Alta Velocidad (DACs y ADCs); Información General

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Moduladores y Demoduladores IQ Digitales

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Muestreo de banda pasante (Rev.04 cambió "subharmonic sampling" a "bandpass sampling")

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Efectos de desbalance IQ, compensación o explotación propuesta

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