Warum senden SDR-Empfänger I / Q-Samples aus?

Nach meinem Verständnis nehmen Hardwareempfänger für softwaredefinierte Funkanwendungen im Grunde genommen das Eingangssignal, mischen es mit der Abstimmfrequenz, um die Trägerfrequenz zu entfernen, und tasten dann die resultierende Spannung mit einer Abtastrate ab, die gerade hoch genug für die Bandbreite des Nutzlastsignals ist . Sie senden diese Proben in Form von I / Q-Wertepaaren an die Demodulationssoftware. Ich gehe davon aus, dass sie den Q-Wert erhalten, indem sie später einen weiteren Abtastzyklus (in Bezug auf die Abstimmfrequenz) nehmen und so die Abtastrate effektiv verdoppeln. $1/4$

Warum verwenden sie die I / Q-Darstellung?

Ich kann sehen, dass I / Q eine schöne Darstellung (in Hardware) bei der Synthese von Signalen ist, da Sie beispielsweise Frequenz- oder Phasenmodulation nur durch Variieren der Amplituden durchführen können, aber dieser Grund scheint für den Fall von SDR-Empfängern nicht zu gelten.

Gibt es also etwas, das durch die Verwendung von I / Q für die Ausgabe anstelle von I mit der doppelten Abtastrate erzielt wird? Oder ist es nur eine Frage der Konvention?

modulation quadrature sdr

— AndreKR
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@ Gilles Ich habe deine Bearbeitung zurückgesetzt. Es ist wirklich nur eine Frage, die aus Gründen der Klarheit auf verschiedene Arten formuliert ist. Es macht für mich keinen Sinn, sie als Aufzählung zu gestalten.

— AndreKR

Ich beantwortete eine ähnliche Frage hier: electronic.stackexchange.com/questions/39796/…

— hotpaw2

Antworten:

Der SDR (oder ein allgemeines digitales Signalverarbeitungssystem) nimmt das empfangene HF-Signal auf und wandelt es von der Trägerfrequenz in das Basisband herunter.

Das reale Bandpasssignal von der Antenne hat nun nicht unbedingt ein symmetrisches Spektrum um die Trägerfrequenz, kann aber beliebig sein. Wenn der Abwärtswandler nun das Spektrum auf die Mittenfrequenz verschiebt, wird das entsprechende Zeitbereichssignal komplex. Die I- und Q-Abtastwerte, die Sie vom SDR erhalten, sind also der Real- und Imaginärteil des komplexen Basisbandsignals, das Ihrem Realpassbandsignal um die Trägerfrequenz entspricht.

Weitere Details finden Sie zB auf der Wikipedia-Seite für die digitale Abwärtskonvertierung .

Zur Beantwortung Ihrer Frage:

Die I / Q-Darstellung entspricht nicht verschiedenen Abtastpunkten des Signals. Stattdessen entspricht es dem Real- und Imaginärteil des digitalen Basisbandsignals mit komplexem Wert. Diese Teile werden erhalten, indem das HF-Signal separat mit einem Sinus und einem Cosinus multipliziert und beide Ströme nach der Tiefpassfilterung abgetastet werden.

Die Abtastung mit doppelter Frequenz kann die gleichen Informationen wie I / Q liefern. Es wäre notwendig, das Signal zu zu homodieren, um alle Informationen, die im Basisband-IQ-Signal enthalten gewesen wären, im Durchlassbandsignal bei (wobei die Abtastrate ist). $f_s/4$ $f_s/4$ $f_s$

— Maximilian Matthé
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Gute Antwort. Zur Verdeutlichung denke ich, dass Sie mit Abtastung mit einer doppelten Frequenz genau die gleichen Informationen liefern können, wenn Sie zulassen, dass das Signal im IQ im Basisband mit der Abtastrate bei wenn bei (mit anderen Worten bei 1 / 4 der neuen Abtastrate). Sind Sie einverstanden?

F_{s}

$F_s$

F_{s} / 2

$F_s/2$

2 F_{s}

$2F_s$

— Dan Boschen

@DanBoschen Ich glaube, Sie erhalten nicht die gleichen Informationen, wenn Sie mit doppelter Frequenz aus nur einem einzigen Stream abtasten (z. B. dem mit einem Sinus multiplizierten). Dies ergibt immer noch nur ein realwertiges Basisbandsignal mit doppelter Abtastrate, das dem geraden Teil des Basisbandspektrums entspricht. Der ungerade Teil (dh das imaginäre Basisbandsignal) ist jedoch nicht verfügbar.

— Maximilian Matthé

Bedenken Sie, dass Sie bei fs / 4 genau das gleiche Spektrum haben können wie bei Basisband (dh der positive Teil über fs / 4 muss nicht mit dem "negativen" Teil übereinstimmen, der in diesem Fall unter fs / 4 liegen würde). Wenn Sie darüber nachdenken, ist dies nicht anders, als wenn das reale Signal an der Antenne (oder dem Träger) das Basisband-IQ-Signal bei Gleichstrom darstellt. Ich habe den Beweis zwar nicht mathematisch ausgearbeitet, aber das ist mein Denken und meine Erinnerung.

— Dan Boschen

Betrachten Sie dieses Beispiel: Ein komplexes Signal im Basisband, das im Band kleiner als +/- Fs / 2 liegt und bei 2F abgetastet wird. Es ist komplex und sein positives Spektrum von DC bis Fs / 2 ist nicht dasselbe wie sein negatives Spektrum von -Fs / 2 bis DC (und erfordert daher zwei reale Signale, ob es I und Q oder Magnitude und Phase ist, um es darzustellen). Drehen Sie nun dieses Spektrum, indem Sie es mit multiplizieren . Dabei ist n die Anzahl der Stichproben. Das Ergebnis hat das Spektrum auf + Fs / 4 verschoben, ohne Spektrum in der negativen Hälfte, aber ohne weitere Änderungen. Nehmen Sie jetzt den eigentlichen Teil.

e^{j n w π / 2}

$e^{jnw \pi/2}$

— Dan Boschen

Wenn Sie den Realteil des oben beschriebenen komplexen Signals nehmen, erscheint ein negatives Bild (komplexes Konjugat) und das ursprüngliche Signal wird skaliert, bleibt aber ansonsten unverändert. Abgesehen von einem Skalierungsfaktor ist das Signal bei fs / 4 identisch mit dem Basisbandsignal, mit dem wir begonnen haben. Alle Informationen sind intakt! (Genau wie wenn wir das Signal auf die Trägerfrequenz verschieben, die auch real ist). Sehen Sie einen Fehler in meinem Denken? (Ich impliziere auch NICHT, das "gleiche" I als nur die doppelte Abtastrate zu verwenden, sondern nur I zu verwenden, was ein einzelner Datenstrom mit echtem Wert ist).

— Dan Boschen

Es kann mehrere Gründe geben.

Computerverarbeitung:

Ein Grund für die Verwendung von IQ-Daten für die SDR-Verarbeitung besteht darin, die Rechenverarbeitungsrate (um einen langsameren oder niedrigeren Leistungsprozessor zu verwenden) für die Visualisierung (Panadapter) oder Demodulation ohne zusätzlichen Konvertierungsschritt zu senken. Viele Modulationsschemata haben asymmetrische Seitenbänder. IQ-Signale können eindeutige Informationen über beide Seitenbänder um DC (0 Hz) übertragen ( siehe Erläuterung hier)), was bedeutet, dass die Verarbeitungsrate sehr nahe an DC liegen kann (0 Hz + Signalbandbreite + Filterübergangs-Sicherheitsspielraum), im Gegensatz zu der doppelten Trägerfrequenz (plus Signalbandbreite, Filterübergangsband usw.). Tatsächlich erzeugen einige SDR-Module (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3 usw.) IQ-Daten in einem PC-Stereo-Audio-Interface (wodurch eine Verarbeitung mit sehr niedrigen Audiodatenraten im Vergleich zu einem viel höheren VHF / HF-HF-Träger oder HF / LF-ZF ermöglicht wird Frequenzen).

Funkhardware:

Die Verarbeitung mit einem Einkanal-Datenstrom erfordert entweder eine sehr hohe Verarbeitungsrate (über dem Zweifachen des HF-Trägers, Verwendung eines FPGA usw.) oder eine Möglichkeit, Bilder oder Aliasing vor dem Downsampling / Downconversion zu entfernen, normalerweise durch eine zusätzliche Konvertierungs- oder Mischschritt (oder mehrere) in eine ZF-Frequenz plus einen oder mehrere zugehörige Anti-Aliasing-Filter zur Bildunterdrückung. Daher erfordert ein einzelner realer Datenstrom mit 2-facher Rate normalerweise eine zusätzliche ZF-Stufe (und / oder ein sehr schmales Hochfrequenzbandpassfilter, häufig Kristall oder SAW), um dies zu tun, verglichen mit der Erzeugung eines IQ-Datenstroms mit 1-facher Rate. Eine zusätzliche ZF-Stufe erfordert normalerweise auch einen zusätzlichen Oszillator und Mischer. Die direkte Konvertierung in IQ-Daten kann ohne Hochfrequenzbandpass oder Dachfilter zur Bildunterdrückung erfolgen.

Der Abwärtskonvertierungsoszillator kann auf dem interessierenden Signalträger (entweder RF oder IF) oder einem niedrigen Vielfachen zentriert (oder nahezu) sein, anstatt entweder versetzt oder viel höher zu sein. Dies kann die Verfolgung, Phasenverriegelung oder Synchronisation dieses Oszillators vereinfachen und somit ermöglichen, dass die Frequenzauslesung und / oder die Transceiver-Sendersignalerzeugung bei minimaler Funkhardware einfacher ist.

Konvertierungshardware:

In der Hardware kann es einfacher oder billiger sein, 2 ADCs mit einer niedrigeren Abtastrate zu implementieren als 1 ADC mit einer höheren Abtastrate. Beispielsweise können Sie eine Stereo-Soundkarte mit einer Abtastrate von 44,1 k (oder 192 k) anstelle einer teureren Soundkarte mit einer Abtastrate von 96 k (oder 384 k) für nahezu dieselbe Signalbandbreitenfähigkeit verwenden.

Tafelgröße:

IQ-Abtastströme (erzeugt durch zwei Kanäle mit phasenverschobenem Mischen und / oder Abtasten um 90 Grad) entsprechen ebenfalls eng mathematisch komplexen Signalen (mit realen und imaginären Komponenten), was es einfacher macht, sich die beiden Kanäle realer Daten als einen Kanal vorzustellen einer komplexen mathematischen Darstellung. Dies macht bestimmte mathematische Algorithmen (DFT / FFT, komplexe Hüllkurvendemodulation usw.) direkter anwendbar (und, wie oben erwähnt, bei Basisbandverarbeitungsraten) mit weniger zusätzlichen mathematischen Operationen (Offsets oder Fftshifts usw.).

Eine Erklärung oder Beschreibung dieser DSP-Algorithmen unter Verwendung komplexer Mathematik erfordert normalerweise weniger Schreiben an einer Klassentafel als äquivalente Erklärungen unter Verwendung einer nicht komplexen Darstellung mit höherer Abtastrate (und ist nach Meinung vieler weitaus eleganter). Diese einfacheren komplexen / IQ-Erklärungen werden manchmal direkt in weniger Code übersetzt (abhängig von der HLL-Computersprache bei den unterstützten Datentypen), oder weniger Rechenblöcke (unter Verwendung eines grafischen Signalpfad-Entwurfswerkzeugs) sind SDR-Anwendungen.

Kompromisse:

Der Nachteil ist natürlich die Notwendigkeit einer genauen 90-Grad-Phasenverschiebungserzeugung, 2 ADCs anstelle von einem und komplexer Multiplikationen (4X-Hardware-Multiplikatoren oder Befehls-OPs) anstelle einer einzelnen Multiplikation pro (Real- oder IQ-) Abtastwert für ähnliche Operationen .

— hotpaw2
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Zur Verdeutlichung wird die Quad-Generierung häufig nicht analog durchgeführt, sodass ein Großteil Ihrer Nachteile beseitigt wird. Der SDR kann weiterhin IQ-Samples mit Posterformulierungen an weitere Demodulationssoftware "emittieren", ohne komplexe Samples durchführen zu müssen. Der Rest Ihrer Erklärung ist sehr gut, einschließlich des Punktes, dass die Darstellung weitaus eleganter ist. Ich habe den Hardware-Ingenieuren bei der Beschreibung erklärt, dass "zwei Oszilloskop-Sonden erforderlich sind, um ein komplexes Signal zu überwachen!", Was bedeutet, dass es einfach und elegant ist, das System mit Exponentialen zu beschreiben, aber dann brauchen wir I und Q, um es zu implementieren.

— Dan Boschen

Könnte ein Encoder zwei Basisbandsignale in Quadratur verschieben und sie später trennen, wodurch das Nutzlastsignal, das Basisband, beispielsweise links und rechts, einen Stereoeffekt erhält?

— Johanthan Edwards
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