Digital atau Analog? Bagaimana Saya dan Q Menggabungkan dan Memisahkan Dilakukan?
Bagaimana seharusnya penggabungan saya dan Q dilakukan? Melalui cara analog atau digital? Artikel ini akan membahas dasar-dasar pendekatan IQ analog dan digital.
Modulator IQ Analog (untuk pemancar) dan Demodulator IQ (untuk penerima) telah digunakan selama beberapa dekade ([1] hingga [3]).
Baru-baru ini, Konverter A/D dan D/A baru telah diperkenalkan, yang dapat langsung mengambil sampel IF dari 1 hingga 4 GHz; pengambilan sampel di zona Nyquist ke-2, ke-3, dan ke-4 ([4] hingga [7]). Ini, dikombinasikan dengan logika digital kecepatan tinggi, memungkinkan penggabungan (untuk A/D) dan pemisahan (untuk D/A) dilakukan secara digital ([8] hingga [21]). Hal ini diilustrasikan pada Gambar 1(a) (untuk modulator) dan Gambar 1(b) (untuk demodulator) dengan Data Converter (DAC atau ADC) pada posisi “D”.
Gambar 1(a). Modulator
Gambar 1(b). Demodulator
Di sisi lain, penggabung dan pemisah I analog terintegrasi, Q memiliki kecocokan yang sangat baik antara jalur I dan Q, memecahkan beberapa keberatan untuk melakukan proses ini secara analog. Teknik analog juga membutuhkan dua kali konverter data (A/Ds atau D/As) daripada pengambilan sampel langsung di IF, tetapi mereka berjalan pada laju pengambilan sampel yang lebih rendah; sehingga lebih murah dan membutuhkan lebih sedikit daya. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 1(a) (untuk modulator) dan Gambar 1(b) (untuk demodulator) dengan Data Converter (DAC atau ADC) pada posisi “A”.
Penulis mulai memikirkan pertanyaan ini. Dia meminta pendapat di beberapa grup LinkedIn, dan menerima jawaban yang berharga. Dengan persetujuan yang mengakui, mereka diakui di bawah ini. Dia juga menemukan informasi apa pun yang dia bisa tentang properti Sirkuit Terpadu (IC) kontemporer untuk fungsi-fungsi ini, dan hasil dari persyaratan kinerja apa pun yang telah ditentukan untuk IC ini. Dari sini, dia mencoba menghasilkan kesimpulan umum apa pun yang bisa ditarik untuk menjawab pertanyaan itu; “Haruskah Modulasi dan Demodulasi IQ dilakukan Secara Analog atau Digital?”
Pendekatan IQ Analog
Pendekatan IQ analog telah ada selama beberapa dekade ([1] hingga [3]). Setiap sinyal IF atau RF dapat diwakili oleh
R(t) =I(t)cos(2πft) +Q(t)sin(2πft)
dimana f adalah frekuensi pembawa, I(t) disebut komponen In-Phase, dan Q(t) disebut komponen Quadrature. Modulator IQ analog mengambil sinyal pita dasar I(t) dan Q(t) dan membentuk R(t). Ini ditunjukkan pada Gambar 1(a) dengan DAC di posisi A. Demodulator IQ analog mengambil input R(t), dan membentuk I(t) dan Q(t). Ini ditunjukkan pada Gambar 1(b) dengan DAC di posisi A.
Masalah kritis dengan pendekatan analog adalah mempertahankan penguatan melalui dua jalur agar identik, dan perbedaan fase tepat 90º. Terkadang diabaikan untuk persyaratan ini adalah dua Filter Lulus Rendah. Mereka harus benar-benar mendapatkan dan mencocokkan fase untuk semua frekuensi di mana ada energi sinyal yang signifikan. Kuantifikasi yang lebih tepat dari persyaratan ini, dan gangguan yang disebabkan oleh penyimpangan dari persyaratan tersebut, ditampilkan dalam artikel selanjutnya.
Pendekatan IQ Digital
Perkembangan terbaru dalam konverter data berkecepatan tinggi (DAC dan ADC), telah mengarahkan orang untuk menghindari masalah ketidakseimbangan IQ yang dibahas di bagian Pendekatan IQ Analog dengan menerapkan fungsi Modulator dan Demodulator IQ secara digital, di mana penguatan dan fase dapat diproduksi tanpa kesalahan ([5], [8] hingga [21]). Untuk kasus modulator, ada DAC kecepatan tinggi pada output, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(a) dengan DAC di posisi D. Untuk kasus demodulator, ada ADC kecepatan tinggi di input, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b) dengan ADC di posisi B.
Seringkali pendekatan digital ini memanfaatkan efek aliasing, menggunakan apa yang disebut bandpass sampling ([22] hingga [24]. [24A], [24B]). Gambar 2(a) menunjukkan bentuk gelombang yang diambil sampelnya dalam waktu. Gambar 2(b) menunjukkan spektrum sinyal tanpa sampel dan sinyal sampel. Jam sampel ADC melakukan fungsi yang sama dengan Osilator Lokal dalam mixer RF. Untuk ADC, filter analog hanya dapat mengizinkan sinyal dalam satu zona Nyquist untuk lewat, dan tindakan pencampuran ini dapat digunakan untuk menurunkan konversi sinyal di zona Nyquist tersebut ke pita dasar.
Gambar 2(a). Pengambilan Sampel dalam Domain Waktu
Gambar 2(b). spektra sinyal tanpa sampel dan sampel
Untuk DAC, output dapat dibentuk pada waktunya untuk meningkatkan kinerja pada frekuensi yang lebih tinggi.
Gambar 3(a) menunjukkan keluaran DAC “Normal” atau “Non-Return to Zero” (NRZ). Setelah setiap sampel, output tetap konstan sampai sampel berikutnya. Spektrum analog ditunjukkan pada Gambar 3(b).
Gambar 3(a). Pengambilan Sampel dalam Domain Waktu
Gambar 3(b).
Gambar 4(a) menunjukkan keluaran DAC “Kembali ke Nol” (RZ). Setelah setiap sampel, output tetap konstan selama setengah periode sampel, dan kemudian menjadi nol. Ini memiliki efek meningkatkan amplitudo di zona Nyquist kedua, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4(b).
Gambar 4(a). Pengambilan Sampel dalam Domain Waktu
Gambar 4(b).
Gambar 5(a) menunjukkan keluaran DAC “Mix” atau “RF”. Setelah setiap sampel, output tetap konstan selama setengah periode sampel, dan kemudian bernilai negatif. Ini adalah operasi yang sama dengan mixer yang menggunakan kedua polaritas bentuk gelombang Osilator Lokal. Spektrum analog, ditunjukkan pada Gambar 5 (b), memiliki amplitudo yang lebih besar di zona Nyquist kedua. Setelah bentuk gelombang dibuat melalui salah satu metode di atas, frekuensi yang diinginkan harus disaring dengan filter Low-Pass atau Band-Pass, untuk menghilangkan alias yang tidak diinginkan dan respons palsu yang mungkin ada.
Gambar 5(a). Pengambilan Sampel dalam Domain Waktu
Gambar 5(b).
Pendekatan digital menghindari masalah dengan ketidakseimbangan kuadratur. Namun, semua konverter data memiliki bagian yang tidak diinginkan, karena efek kuantisasi dan pengambilan sampel. Beberapa efek ini akan ditampilkan di artikel berikutnya. Biaya dan kebutuhan daya dari konverter data berkecepatan tinggi ini juga sering kali tinggi, dibandingkan dengan jaringan IQ analog.
Ucapan Terima Kasih
Ketika pertanyaan yang dibahas dalam laporan ini pertama kali muncul di benak penulis, dia meminta komentar melalui beberapa grup LinkedIn. Beberapa tanggapan yang bermanfaat telah diterima. Yang memberikan izin penggunaan informasi pribadinya adalah; Gary Kaatz, Khaled Sayed (Consultix-Mesir), Dieter Joos (ON Semiconductor), dan Jaideep Bose (Asmaitha Wireless Technologies). Penulis juga berterima kasih kepada istrinya, Elizabeth, yang mungkin bertanya-tanya apa yang sedang dilakukan suaminya; menyendiri di kantor rumahnya, melakukan pekerjaan yang tampaknya tidak dibayar.
Referensi
Referensi berikut akan digunakan untuk setiap artikel dalam seri ini.
Modulator dan Demodulator IQ Analog:Deskripsi Umum
[1] Shou-Hsien Weng; Che-Hao Shen; Hong-Yeh Chang, "A wide modulation bandwidth bidirectional CMOS IQ modulator/demodulator untuk aplikasi gelombang mikro dan gelombang milimeter gigabit," Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2012 7th European , vol., no., pp.8,11, 29-30 Oktober 2012
[2] Eamon Nash; "Mengoreksi Ketidaksempurnaan dalam Modulator IQ untuk Meningkatkan Kesetiaan Sinyal RF"; Catatan Aplikasi Perangkat Analog AN-1039; 2009
[3] Segera; "Penerima IF-ke-Baseband Berbasis Demodulator IQ dengan IF dan Penguatan Variabel Baseband dan Penyaringan Baseband yang Dapat Diprogram"; Catatan Sirkuit Perangkat Analog CN-0320; 2013
Konverter Data Berkecepatan Tinggi (DAC dan ADC); Informasi Umum
[4] Justin Munson; "Memahami Pengujian dan Evaluasi DAC Berkecepatan Tinggi"; Catatan Aplikasi Perangkat Analog AN-928; 2013
[5] Engel, G.; Fague, D.E.; Toledano, A, "Konverter digital-ke-analog RF memungkinkan sintesis langsung sinyal komunikasi," Majalah Komunikasi, IEEE, vol.50, no.10, pp.108, 116, Oktober 2012
[6] Chris Pearson; "Dasar-dasar Konverter Digital ke Analog Berkecepatan Tinggi"; Laporan Aplikasi Texas Instruments SLAA523A; 2012
[7] Alex Arrants, Brad Brannon dan Rob Reeder; "Memahami Pengujian dan Evaluasi ADC Berkecepatan Tinggi"; Catatan Aplikasi Perangkat Analog AN-835, 2010.
Modulator dan Demodulator IQ Digital
[8] Samueli, H.; Wong, BC, "A VLSI Architecture for a high-speed all-digital quadrature modulator and demodulator for digital radio applications," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol.8, no.8, pp.1512,1519, Oct 1990
[9] Wong, SM; Samueli, H., "Modulator dan demodulator QAM semua-digital 200-MHz dalam CMOS 1,2-nm untuk aplikasi radio digital," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.26, no.12, pp.1970, 1980 , Des 1991
[10] Ken bukan Yahudi; "Penguatan Modulator Kuadrat Digital"; Catatan Aplikasi Perangkat Analog AN-924; 2009
[11] Lou, J.H.; Kuo, JB, "Sebuah 1,5-V CMOS all-N-logic true-single-phase bootstrap rangkaian logika-dinamis yang cocok untuk tegangan suplai rendah dan operasi sistem pipa berkecepatan tinggi," Sirkuit dan Sistem II:Pemrosesan Sinyal Analog dan Digital, Transaksi IEEE pada, vol.46, no.5, pp.628.631, Mei 1999
[12] Vankka, J.; Sommarek, J.; Ketola, J.; Teikari, saya; Halonen, K. AI, "A digital quadrature modulator with on-chip D/A converter," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.38, no.10, pp.1635, 1642, Oct. 2003
[13] Yanlin Wu; Dengwei Fu; Willson, A, "A 415 MHz direct digital quadrature modulator in 0.25-nm CMOS", Custom Integrated Circuits Conference, Proceedings of the IEEE 2003, vol., no., pp.287.290, 21-24 Sept. 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. Prosiding Eropa ke-30, pp.159, 162, 21-23 September 2004
[15] Lin, PF; Lou, J.H.; Kuo, J.B., "A CMOS quadrature modulator for wireless communication IC," Sirkuit dan Sistem I:Fundamental Theory and Applications, IEEE Transactions on, vol.44, no.6, pp.559, 561, Jun 1997
[16] Parikh, V.K.; Balsara, P.T.; Eliezer, O.E., "All Digital-Quadrature-Modulator Based Wideband Wireless Transmitters," Sirkuit dan Sistem I:Regular Papers, IEEE Transactions on, vol.56, no.11, pp.2487, 2497, Nov. 2009
[17] Alavi, MS; Staszewski, R.B.; de Vreede, L.C.N.; 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 dan Saper, Ron; "Modulator Quadrature Digital untuk Aplikasi Radar ESM" PENDIRIAN PENELITIAN PERTAHANAN Kanada CATATAN TEKNIS OTTAWA 92-10; 1992
[19] Ziomek, C.; Corredoura, P., "Demodulator I/Q Digital," Particle Accelerator Conference, 1995., Proceedings of the 1995 , vol.4, no., pp.2663,2665 vol.4,1-5 Mei 1995
[20] Ho, K.C.; Chan, YT; Inkol, R., "Sistem demodulasi kuadratur digital," Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on , vol.32, no.4,pp.1218,1227, Okt 1996
[21] Bravo, A; Cruz-Roldan, F., "Demodulator kuadratur digital dengan pencampuran empat fase untuk penerima radio digital," Sirkuit dan Sistem II:Pemrosesan Sinyal Analog dan Digital, Transaksi IEEE aktif, vol.50, no.12, pp.1011,1015, Desember 2003
Pengambilan sampel bandpass (Rev .04 mengubah “pengambilan sampel subharmonik” menjadi “pengambilan sampel bandpass)
[22] Parssinen, A; Magoon, R.; Panjang, S.I; Porra, Veikko, "A 2-GHz subharmonic sampler for signal downconversion," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.45, no.12, pp.2344, 2351, Des 1997
[23] Jensen, BS; Schmidl Sobjaerg, S.; Skou, N.; Krozer, V., "Prototipe front-end ringkas untuk radiometer L-band polarimetrik penolak RFI generasi berikutnya," Microwave Conference, 2009. EuMC 2009. European, vol., no., pp.1626, 1629, Sept. 29 2009 -Okt. 1 2009
[24] Ahmad, S.; Saad El Dine, M.; Reveyrand, T.; Neveux, G.; Barataud, D.; Nebus, JM, "Sistem pengukuran domain waktu menggunakan Track &Hold Amplifier yang diterapkan pada karakterisasi RF berdenyut dari perangkat GaN berdaya tinggi," Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International , vol., no., pp.1 ,4, 5-10 Juni 2011
[24A] Akos, D.M.; Kepala Gudang, M.; Tsui, J.B.Y; Caschera, J., "Sampling bandpass langsung dari beberapa sinyal RF berbeda," Communications, IEEE Transactions on , vol.47, no.7, pp.983.988, Jul 1999
[24B] Ching-Hsiang Tseng; Sun-Chung Chou, "Konversi langsung dari beberapa sinyal RF menggunakan sampling bandpass," Communications, 2003. ICC '03. Konferensi Internasional IEEE tentang , vol.3, no., pp.2003,2007 vol.3, 11-15 Mei 2003
Efek Ketidakseimbangan IQ, tidak ada kompensasi atau eksploitasi yang diusulkan
[25] Lopez-Martinez, FJ; Martos-Naya, E.; Paris, JF; Entrambasaguas, JT, "Analisis BER Bentuk Tertutup yang Tepat dari Sistem OFDM di Kehadiran IQ Ketidakseimbangan dan ICSI," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada, vol.10, no.6, pp.1914, 1922, Juni 2011
[26] Yaning Zou; Valkama, M.; Renfors, M., "Analisis Kinerja Sistem MIMO-OFDM Berkode Ruang-Waktu Di Bawah Ketidakseimbangan I/Q," Akustik, Pemrosesan Pidato dan Sinyal, 2007. ICASSP 2007. Konferensi Internasional IEEE tentang, vol.3, no., hlm. III-341, III-344, 15-20 April 2007
[27] Chia-Liang Liu, "Dampak ketidakseimbangan I/Q pada deteksi QPSK-OFDM-QAM," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.44, no.3, pp.984, 989, Aug 1998
[28] Heung-Gyoon Ryu, "Efek Keragaman Komunikasi OFDM dengan Ketidakseimbangan IQ di Saluran Fading Rayleigh," Perangkat Lunak dan Jaringan Komunikasi, 2010.ICCSN '10. Konferensi Internasional Kedua pada, vol., no., hal.489, 493, 26-28 Februari 2010
[29] Stroet, P.; "Mengukur Kesalahan Fase dan Penundaan Secara Akurat di Modulator I/Q"; Catatan Aplikasi Teknologi Linier 102; AN102-1; Oktober 2005
7.6 Efek Ketidakseimbangan IQ, kompensasi atau eksploitasi yang diusulkan
[30] Tarighat, A; Sayed, AH, "Kompensasi bersama dari Penurunan pemancar dan penerima dalam sistem OFDM," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada, vol.6, no.1, pp.240, 247, Jan. 2007
[31] Marey, Muhammad; 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, May 2014
[32] Narasimhan, B.; Narayanan, S.; Min, H.; Al-Dhahir, N., "Kompensasi pita dasar kompleksitas berkurang dari ketidakseimbangan Tx/Rx I/Q bersama dalam MIMO-OFDM seluler," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada , vol.9, no.5, pp.1720,1728, Mei 2010
[33] Ozdemir, O.; Hamila, R.; Al-Dhahir, N., "I/Q Imbalance in Multiple Beamforming {OFDM} Transceivers:Analisis SINR and Digital Baseband Compensation," Communications, IEEE Transactions on, vol.61, no.5, pp.1914, 1925, May 2013
[34] Inamori, M.; Bostamam, AM.; Sanada, Y.; Minami, H., "Skema kompensasi ketidakseimbangan IQ dengan adanya offset frekuensi dan offset DC dinamis untuk penerima konversi langsung," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada , vol.8, no.5, pp.2214,2220, Mei 2009
[35] Tarighat, A; Sayed, AH., "MIMO OFDM Receivers for Systems With IQ Imbalances," Signal Processing, IEEE Transactions on , vol.53, no.9, pp.35833596, Sept. 2005
[36] Hai Lin; Yamashita, K., "Kompensasi berbasis alokasi subcarrier untuk offset frekuensi pembawa dan ketidakseimbangan I/Q dalam sistem OFDM," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada, vol.8, no.1, hlm.18,23, Januari 2009
7.7 Persyaratan untuk DAC dan ADC BaseBand
[37] Suno-Won Chung; Seung-Yoon Lee; Kyu-Ho Park, "Arsitektur radio digital ultra-wideband OFDM yang hemat energi," Signal Processing Systems, 2004. SIPS 2004. IEEE Workshop on, vol., no., pp.211, 216, 13-15 Oct. 2004
Persyaratan untuk RF DACS dan ADC; dan untuk RF Non-linier
[38] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, AG., "Effects of bandpass sigma-delta modulation on OFDM signals," Consumer Electronics, IEEE Transactions on , vol.45, no.2, pp.318,326, May 1999
[39] Maurer, L.; Schelbauer, W.; Pretl, H.; Pegas, A; Adler, B.; Bos, Z.; Weigel, R., "Pengaruh nonlinier ujung depan penerima pada sinyal W-CDMA," Konferensi Microwave, 2000 Asia-Pasifik, vol., no., pp.249, 252, 2000
[40] Kitaek Bae; Changyong Shin; Powers, E.J., "Analisis Kinerja Sistem OFDM dengan Pemetaan Terpilih di Kehadiran Nonlinier," Komunikasi Nirkabel, Transaksi IEEE pada , vol.12, no.5, pp.2314,2322, Mei 2013
[41] Mahim Ranjan; Larson, L.E., "Analisis Distorsi Front-End Penerima OFDM Ultra-Wideband," Teori dan Teknik Microwave, Transaksi IEEE pada, vol.54, no.12, pp.4422, 4431, Des. 2006
7.9 Agregasi operator untuk LTE-lanjutan; Persyaratan spektrum pita lebar.
[42] Pedersen, K.I; Frederiksen, F.; Rosa, C.; Nguyen, H.; Garcia, L.G.U.; Yuanye Wang, "Agregasi operator untuk LTE-lanjutan:aspek fungsionalitas dan kinerja," Majalah Komunikasi, IEEE , vol.49, no.6, pp.89,95, Juni 2011
