Понятие I/Q сигналов и квадратурной модуляции
Узнайте об «I/Q» сигналах, о том, как они используются, и чем они полезны в радиочастотных системах.
Данная глава не будет полной без статьи о квадратурной демодуляции. Однако, прежде чем мы рассмотрим квадратурную демодуляцию, нам нужно хотя бы кратко обсудить квадратурную модуляцию. А прежде чем мы обсудим квадратурную модуляцию, нам нужно узнать об I/Q сигналах.
Синфазный и квадратурный
Термин «I/Q» является аббревиатурой от «in-phase» (синфазный) и «quadrature» (квадратурный). К сожалению, уже здесь у нас проблема с терминологией. Прежде всего, «синфазный» и «квадратурный» сами по себе не имеют никакого значения; фаза является относительной, и что-то может быть «в фазе» или «не в фазе» относительно другого сигнала или установленной опорной точки. Кроме того, теперь у нас есть слово «квадратурный», применяемое как к сигналу, так и к способам модуляции/демодуляции, связанным с этим сигналом.
В любом случае «синфазный» и «квадратурный» относятся к двум синусоидам, которые имеют одинаковую частоту и сдвиг по фазе 90°. По соглашению, I-сигнал является сигналом косинусоиды, а Q-сигнал представляет собой сигнал синусоиды. Как вы знаете, волна синусоиды (без какой-либо дополнительной фазы) сдвинута относительно волны косинусоиды на 90°. Другой способ выразить это состоит в том, что сигналы синусоиды и косинусоиды являются квадратурными сигналами.
Первое, что нужно знать об I/Q сигналах, заключается в том, что они всегда модулируются по амплитуде, а не по частоте или фазе. Однако амплитудная I/Q модуляция отличается от способа амплитудной модуляции, обсуждаемой в главе 4: в I/Q модуляторе сигналы, которые модулируют I/Q синусоиды, не смещаются по напряжению, поэтому они всегда положительны. Другими словами, I/Q модуляция включает в себя умножение I/Q сигналов на модулирующие сигналы, которые могут иметь отрицательные значения напряжения, и, следовательно, «амплитудная» модуляция может привести к фазовому сдвигу на 180°. Позже мы рассмотрим эту проблему подробнее.
Так в чем преимущество двух модулированных по амплитуде синусоид, которые имеют расхождение по фазе 90°? Почему так широко распространены I/Q модуляция и демодуляция? Читайте дальше.
Суммирование I и Q
Сигналы I и Q сами по себе не очень интересны. Интересное происходит при сложении осциллограмм сигналов I и Q. Оказывается, что любая форма модуляции может быть выполнена просто путем изменения амплитуды (только амплитуды) сигналов I и Q, а затем их суммирования.
Если вы возьмете сигналы I и Q равной амплитуды и сложите их, результатом будет синусоида с фазой, которая находится точно между фазой сигнала I и фазой сигнала Q.
Другими словами, если вы считаете, что фаза сигнала I равна 0°, а фаза сигнала Q равна 90°, то сигнал после складывания будет иметь фазу 45°. Если вы хотите использовать эти I и Q сигналы для создания амплитудно-модулированного сигнала, вам необходима просто модулировать по амплитуде отдельные сигналы I и Q. Очевидно, сигнал будет увеличиваться или уменьшаться по амплитуде, если он создается путем сложения двух сигналов, которые одновременно увеличиваются или уменьшаются по амплитуде. Тем не менее, вы должны быть уверены, что амплитудная модуляция, применяемая к сигналу I, идентична амплитудной модуляции, применяемой к сигналу Q, потому что, если они не будут идентичны, вы получите фазовый сдвиг. А это приводит нас к следующему свойству I/Q сигналов.
От амплитуды к фазе
Фазовая модуляция (в форме фазовой манипуляции) является важной технологией в современных радиочастотных системах, и она может быть реализована путем изменения амплитуды сигналов I/Q. Рассмотрим следующие диаграммы:
Как вы можете видеть, увеличение амплитуды одного из сигналов относительно другого приводит к смещению результирующего сигнала по фазе в сторону сигнала с более высокой амплитудой. И это интуитивно понятно: если вы устранили, например, Q-сигнал, то сигнал, полученный в результате сложения, будет полностью сдвинут на фазу I-сигнала, потому что (очевидно) добавление I-сигнала к нулю приведет к тому, что сигнал сложения будет идентичен I-сигналу.
Из приведенного выше обсуждения видно, что I/Q сигналы могут использоваться только для сдвига сигнала на 90° (т.е. 45° в каждом направлении): если амплитуда Q-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы I-сигнала; если амплитуда I-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы Q-сигнала. Как же тогда мы могли бы использовать I/Q сигналы для получения (например) квадратурной фазовой манипуляции (QPSK), которая использует значения фазы, охватывающие диапазон 270°? Обсудим это в следующем разделе.
Квадратурная модуляция
Термин «квадратурная модуляция» относится к модуляции, которая основана на суммировании двух сигналов, которые находятся в квадратуре. Другими словами, это модуляция на основе I/Q сигналов. В качестве примера того, как работает квадратурная модуляция, мы будем использовать QPSK, и в этом процессе мы увидим, как амплитудная модуляция I/Q сигналов может создавать сдвиги фазы более 90°.
Это базовая структурная схема QPSK модулятора. Во-первых, поток цифровых данных обрабатывается так, что два последовательных бита становятся двумя параллельными битами. Оба этих бита будут передаваться одновременно; другими словами, как упоминалось в этой статье, QPSK позволяет одному символу передавать два бита. Гетеродин генерирует несущую синусоиду. Сам сигнал гетеродина становится несущей I, а для создания несущей Q применяется фазовый сдвиг на 90°. Несущие I и Q умножаются на потоки данных I и Q, и два сигнала, полученные в результате этих умножений, суммируются для получения QPSK-модулированного сигнала.
Потоки данных I и Q модулируют по амплитуде несущие I и Q, и, как объяснялось выше, эти отдельные амплитудные модуляции могут использоваться для получения фазовой модуляции в конечном сигнале. Если потоки данных I и Q являются типовыми цифровыми сигналами, изменяющимися от потенциала земли до некоторого положительного напряжения, мы будем применять для несущих I и Q манипуляцию «включено-выключено», и наш фазовый сдвиг будет ограничен до значения 45° в любом направлении. Однако, если потоки данных I и Q являются биполярными сигналами (т.е. они изменяются от отрицательного напряжения до положительного напряжения), наша «амплитудная модуляция» будет фактически инвертировать сигнал несущей, когда входные данные будут на низком логическом уровне (поскольку отрицательное входное напряжение, умноженное на сигнал несущей, приводит к инверсии). Это означает, что у нас будет четыре состояния I/Q:
- I – нормальный, Q – нормальный;
- I – нормальный, Q – инвертированный;
- I – инвертированный, Q – нормальный;
- I – инвертированный, Q – инвертированный.
Что мы получим при суммировании в каждом из этих случаев? (Обратите внимание, что на следующих диаграммах частота сигналов выбрана так, чтобы количество секунд на оси x было таким же, как фазовый сдвиг в градусах.)
Как вы можете видеть, сложение в этих четырех случаях как раз то, что нам нужно для QPSK сигнала: фазовые сдвиги 45°, 135°, 225° и 315°.
Резюме
- Термин «I/Q сигналы» относится к использованию двух синусоид, имеющих одинаковую частоту и относительный сдвиг фаз 90°.
- Амплитудная, фазовая и частотная модуляции могут быть реализованы путем сложения амплитудно-модулированных I/Q сигналов.
- Термин «квадратурная модуляция» относится к модуляции, которая использует I/Q сигналы.
- Квадратурная фазовая манипуляция может быть реализована путем сложения I и Q несущих, которые были отдельно умножены в соответствии с входными цифровыми данными на +1 или –1.