Kann jemand erklären, was IQ (Quadratur) in Bezug auf SDR bedeutet?

Dies ist eine grundlegende Frage, aber ich habe Probleme zu verstehen, warum ein Signal in I- und Q-Komponenten aufgeteilt werden muss, um für softwaredefiniertes Radio (SDR) nützlich zu sein.

Ich verstehe, dass die I- und Q-Komponenten dasselbe Signal sind, nur um 90 Grad phasenverschoben, aber ich verstehe nicht, warum dies wichtig ist. Warum können Sie nicht einfach ein Signal digitalisieren? Warum brauchen Sie ein scheinbar identisches Signal, das um 90 Grad phasenverschoben ist? Und wenn Sie dieses zweite Signal benötigen, warum können Sie es dann nicht selbst erstellen (z. B. in Software), indem Sie nur das erste Signal verzögern?

Alles, was ich erkennen kann, ist, dass es aus irgendeinem Grund erforderlich ist, eine FM-Demodulation in Software durchzuführen, aber ich kann nirgendwo etwas finden, um zu erklären, was erforderlich ist und warum diese Demodulation ohne I- und Q-Komponenten nicht möglich ist.

Kann jemand etwas Licht ins Dunkel bringen? Wikipedia ist nicht besonders hilfreich, da jede Seite einen Link anstelle einer Erklärung enthält und jeder Link in einer Endlosschleife auf den nächsten verweist.

Die I- und Q-Komponenten sind nicht dasselbe Signal; Sie sind Samples desselben Signals, die um 90 Grad phasenverschoben sind und unterschiedliche Informationen enthalten. Es ist eine subtile, aber wichtige Unterscheidung.

Durch diese Trennung von I und Q können Sie die relative Phase der Signalkomponenten messen. Dies ist nicht nur für die FM- (und PM-) Demodulation wichtig, sondern auch für jede andere Situation, in der Sie den Inhalt der oberen und unteren Seitenbänder des Trägers (z. B. SSB) unterscheiden müssen.

Immer wenn eine Frequenzumwandlung (Überlagerung) in einem SDR auftritt (insbesondere im analogen Front-End), werden die I- und Q-Komponenten unterschiedlich behandelt. Es werden zwei Kopien des lokalen Oszillators erzeugt, von denen eine um 90 Grad gegenüber der anderen verzögert ist, und diese werden getrennt mit I und Q gemischt. Dies erhält die Phasenbeziehungen durch die Umwandlung.

BEARBEITEN:

Dies bedeutet nur, dass Sie das Signal mit einer ausreichend hohen Rate abtasten, um alle Seitenbandinformationen auf beiden Seiten des Trägers zu erfassen. Ich und Q sind eigentlich nur eine Notationskonvention, mit der die Mathematik etwas sauberer funktioniert. Dies ist am relevantesten, wenn Sie das Signal direkt bis zum Basisband überlagern (synchrone Erkennung). Wenn Sie nicht sowohl I als auch Q beibehalten, werden die beiden Seitenbänder übereinander gefaltet (eine Art Aliasing) und Sie können FM-, PM- oder QAM-Signale nicht mehr decodieren.

Dies hat mit der Abtastrate zu tun und damit, wie sich der Abtasttakt (der lokale Oszillator oder LO) auf die interessierende Signalfrequenz bezieht.

Die Nyquist- Frequenzrate ist doppelt so hoch wie die höchste Frequenz (oder Bandbreite) in den abgetasteten Spektren (um Aliasing zu verhindern) der Basisbandsignale. In der Praxis muss die Abtastfrequenz für DSP bei Signalen endlicher Länge und damit nicht mathematisch perfekt bandbegrenzten Signalen (sowie dem potenziellen Bedarf an physikalisch umsetzbaren Nicht-Brick-Wall-Filtern) höher sein als das Doppelte der höchsten Signalfrequenz . Eine Verdoppelung der Anzahl der Samples durch Verdoppelung der Sample Rate (2X LO) wäre also immer noch zu gering. Das Vervierfachen der Abtastrate (4X LO) würde Sie deutlich über die Nyquist-Rate bringen, aber die Verwendung dieser viel höheren Frequenzabtastrate wäre in Bezug auf Schaltungskomponenten, ADC-Leistung, DSP-Datenraten, erforderliche Megaflops usw. teurer.

Daher wird die IQ-Abtastung häufig mit einem lokalen Oszillator bei (oder relativ nahe) derselben Frequenz wie das interessierende Signal oder Frequenzband durchgeführt, was nach Nyquist offensichtlich eine viel zu niedrige Abtastfrequenz (für Basisbandsignale) ist. Ein Abtastwert pro Zyklus der Sinuswelle könnte sich alle an den Nulldurchgängen oder alle an den Oberseiten oder an einem beliebigen Punkt dazwischen befinden. Sie werden fast nichts über ein so abgetastetes Sinussignal erfahren. Nennen wir diese fast unbrauchbare Menge von Samples das I einer IQ-Sample-Menge.

Aber wie wäre es, wenn Sie die Anzahl der Abtastungen erhöhen, indem Sie nicht einfach die Abtastrate verdoppeln, sondern nach jedem ersten Zyklus eine zusätzliche Abtastung vornehmen. Zwei Abtastwerte pro Zyklus, die ein wenig voneinander entfernt sind, würden es einem ermöglichen, die Steigung oder Ableitung abzuschätzen. Wenn sich eine Probe an einem Nulldurchgang befände, wäre die zusätzliche Probe nicht. Sie wären also viel besser dran, wenn Sie herausfinden würden, welches Signal abgetastet wird. Zwei Punkte plus die Kenntnis, dass das interessierende Signal bei der Abtastrate (aufgrund der Bandbegrenzung) in etwa periodisch ist, reichen normalerweise aus, um die Unbekannten einer kanonischen Sinuswellengleichung (Amplitude und Phase) abzuschätzen.

Wenn Sie jedoch bei der zweiten Stichprobe zu weit auseinander gehen, um die Hälfte zwischen den ersten Stichproben zu verschieben, haben Sie das gleiche Problem wie bei der 2-fachen Stichprobe (eine Stichprobe könnte sich an einem positiven Nulldurchgang befinden, die andere an einem negativen, was Ihnen sagt nichts). Es ist das gleiche Problem wie wenn 2X eine zu niedrige Abtastrate hat.

Aber irgendwo zwischen zwei Samples des ersten Sets (dem "I" Set) gibt es einen Sweet Spot. Nicht redundant wie bei der gleichzeitigen Abtastung und nicht gleichmäßig verteilt (was einer Verdoppelung der Abtastrate entspricht), gibt es einen Versatz, der Ihnen maximale Informationen über das Signal liefert, wobei die Kosten eine genaue Verzögerung für die zusätzliche Abtastung sind einer viel höheren Abtastrate. Es stellt sich heraus, dass diese Verzögerung 90 Grad beträgt. Das gibt Ihnen einen sehr nützlichen "Q" -Satz von Samples, der zusammen mit dem "I" -Satz weitaus mehr über ein Signal aussagt als nur eines von beiden. Vielleicht genug, um AM, FM, SSB, QAM usw. zu demodulieren, während die komplexe oder IQ-Abtastung bei der Trägerfrequenz oder sehr nahe statt viel höher als 2X erfolgt.

Hinzugefügt:

Ein exakter 90-Grad-Versatz für den zweiten Satz von Abtastwerten entspricht auch gut der Hälfte der Komponentenbasisvektoren in einer DFT. Ein vollständiger Satz ist erforderlich, um nicht symmetrische Daten vollständig darzustellen. Der effizientere FFT-Algorithmus wird sehr häufig für viele Signalverarbeitungen verwendet. Andere Nicht-IQ-Abtastformate erfordern möglicherweise entweder eine Vorverarbeitung der Daten (z. B. Anpassung für ein etwaiges IQ-Ungleichgewicht in der Phase oder Verstärkung) oder die Verwendung längerer FFTs, wodurch möglicherweise einige der in der Regel durchgeführten Filterungen oder Demodulationen weniger effizient sind SDR-Verarbeitung von IF-Daten.

Hinzugefügt:

Es ist auch zu beachten, dass die Wasserfallbandbreite eines SDR-IQ-Signals, das breitbandig erscheinen könnte, typischerweise geringfügig schmaler als der IQ oder die komplexe Abtastrate ist, obwohl die vorkomplexe Überlagerungs-Mittenfrequenz viel höher sein könnte als die IQ-Abtastrate . Die Komponentenrate (2 Komponenten pro einzelnem Komplex oder IQ-Sample), die doppelt so hoch ist wie die IQ-Rate, ist also höher als die doppelte Bandbreite von Interesse und entspricht somit der Nyquist-Abtastung.

Hinzugefügt:

Sie können das zweite Quadratursignal nicht selbst erzeugen, indem Sie einfach die Eingabe verzögern, da Sie den Wechsel zwischen dem Signal und dem Signal 90 Grad später suchen. Und wird keine Änderung sehen, wenn Sie dieselben zwei Werte verwenden. Nur wenn Sie zu zwei verschiedenen Zeiten probieren, leicht versetzt.

Das ist wirklich so ein einfaches Thema, dass fast niemand gut erklärt. Wenn Sie Probleme haben, dies zu verstehen, sehen Sie sich das Video von W2AEW an: http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . In nur 16 Minuten wandelt er sich von Suppe zu Nuss und gibt mit seinem Oszilloskop und einer von ihm erstellten Schaltung sogar Demos.

Iund Qsind einfach eine andere Art, ein Signal darzustellen. Sie stellen sich ein Signal mental als eine Sinuswelle vor, die entweder entlang ihrer Amplitude, der Frequenz oder der Phase moduliert ist.

Sinuswellen können als Vektor dargestellt werden. Wenn Sie sich an Vektoren im Physikunterricht erinnern, neigen Sie dazu, mit den xund y-Komponenten dieses Vektors zu arbeiten (Addition von x'szusammen und y's). Das ist es, was das Iund Qim Wesentlichen das X(Inphase sein - I) und das Y(Quadratur sein - Q) ist.

Wenn Sie die Sinuswelle wie einen Vektor darstellen und das Iund zur Verfügung stellen Q, kann es viel einfacher sein, Software zum Durchführen der Mathematik zum Demodulieren des Signals zu haben. Ihr Computer verfügt über spezielle Chips - die Grafikkarte und die Soundkarte sind VECTORProzessoren - mit zusätzlichen Registern, in denen die Komponenten xund yfür eine schnelle Berechnung gespeichert sind .

Deshalb SDRwill Iund Q. Iund Qermöglichen Sie den Vektorprozessoren auf Ihrem Computer, die Demodulation schnell und effizient durchzuführen.