Alguém pode explicar o que QI (quadratura) significa em termos de SDR?

Essa é uma pergunta básica, mas estou tendo problemas para entender por que um sinal precisa ser dividido em componentes I e Q para ser útil para o rádio definido por software (SDR).

Entendo que os componentes I e Q são o mesmo sinal, apenas 90 graus fora de fase, mas não entendo por que isso é importante. Por que você não pode apenas digitalizar um sinal? Por que você precisa de um sinal aparentemente idêntico que está fora de fase em 90 graus? E se você precisa desse segundo sinal, por que não pode criá-lo você mesmo (por exemplo, em software) apenas atrasando o primeiro sinal?

Tudo o que consigo entender é que, por algum motivo, é necessário realizar a desmodulação no estilo FM, mas não consigo encontrar nada para explicar qual é a necessidade e por que essa desmodulação não é possível sem os componentes I e Q.

Alguém é capaz de lançar alguma luz sobre isso? A Wikipedia não é particularmente útil, com cada página tendo um link no lugar de uma explicação e cada link apontando para a próxima em um loop infinito.

Os componentes I e Q não são o mesmo sinal; são amostras do mesmo sinal retiradas 90 graus da fase e contêm informações diferentes. É uma distinção sutil, mas importante.

Separar I e Q dessa maneira permite medir a fase relativa dos componentes do sinal. Isso é importante não apenas para a desmodulação de FM (e PM), mas também para qualquer outra situação em que você precise distinguir o conteúdo das bandas laterais superior e inferior da transportadora (por exemplo, SSB).

Sempre que ocorre uma conversão de frequência (heterodinâmica) em um SDR (particularmente no front-end analógico), os componentes I e Q são tratados de maneira diferente. Duas cópias do oscilador local são geradas, uma atrasada em 90 graus em relação à outra, e estas são misturadas separadamente com I e Q. Isso preserva os relacionamentos de fase através da conversão.

EDITAR:

Tudo isso realmente significa é que você está amostrando o sinal em uma taxa alta o suficiente para capturar todas as informações da banda lateral nos dois lados da operadora. Eu e Q somos apenas uma convenção notacional que faz a matemática funcionar um pouco mais limpa. Torna-se mais relevante se você acabar heterodinando o sinal diretamente na banda base (detecção síncrona). Se você não preservar I e Q, as duas bandas laterais serão dobradas umas sobre as outras (uma forma de aliasing) e não será mais possível decodificar os sinais FM, PM ou QAM.

Tem a ver com a taxa de amostragem e como o relógio de amostragem (o oscilador local ou LO) se relaciona com a frequência do sinal de interesse.

A taxa de frequência Nyquist é duas vezes a frequência mais alta (ou largura de banda) nos espectros amostrados (para evitar aliases) dos sinais da banda base. Mas, na prática, dados sinais de comprimento finito e, portanto, sinais não-matematicamente perfeitamente ilimitados de banda (bem como a necessidade potencial de filtros fisicamente implementáveis ​​sem paredes de tijolos), a frequência de amostragem para DSP deve ser maior que o dobro da frequência de sinal mais alta . Assim, dobrar o número de amostras dobrando a taxa de amostragem (2X LO) ainda seria muito baixo. Quadruplicar a taxa de amostragem (4X LO) colocaria você muito acima da taxa de Nyquist, mas usar essa taxa de amostragem de frequência muito mais alta seria mais caro em termos de componentes de circuito, desempenho da ADC, taxas de dados DSP, megaflops necessários, etc.

Então amostragem QI é muitas vezes feito com um oscilador local em (ou relativamente perto) a mesma frequência que a banda de sinal ou freqüência de interesse, que é obviamente maneira muito baixo uma frequência de amostragem (para sinais de banda base) de acordo com Nyquist. Uma amostra por ciclo de onda senoidal pode estar no cruzamento zero, no topo ou em qualquer ponto intermediário. Você aprenderá quase nada sobre um sinal sinusoidal tão amostrado. Mas vamos chamar isso, por si só quase inútil, de um conjunto de amostras I de um conjunto de amostras de QI.

Mas que tal aumentar o número de amostras, não simplesmente duplicando a taxa de amostragem, mas colhendo uma amostra adicional um pouco depois da primeira a cada ciclo. Duas amostras por ciclo um pouco afastadas permitiriam estimar a inclinação ou derivada. Se uma amostra estivesse cruzando o zero, a amostra adicional não estaria. Então, você estaria muito melhor em descobrir o sinal que está sendo amostrado. Dois pontos, mais o conhecimento de que o sinal de interesse é aproximadamente periódico na taxa de amostragem (devido à limitação de banda) geralmente são suficientes para começar a estimar as incógnitas de uma equação canônica de ondas senoidais (amplitude e fase).

Mas se você se distanciar demais da segunda amostra, a meio caminho entre o primeiro conjunto de amostras, acaba com o mesmo problema da amostragem 2X (uma amostra pode estar em um cruzamento de zero positivo e a outra em negativo, informando a você nada). É o mesmo problema que 2X é uma taxa de amostragem muito baixa.

Mas em algum lugar entre duas amostras do primeiro conjunto (o conjunto "I") existe um ponto ideal. Não redundante, como ocorre com a amostragem ao mesmo tempo, e sem espaçamento uniforme (o que equivale a dobrar a taxa de amostragem), há um deslocamento que fornece informações máximas sobre o sinal, com o custo sendo um atraso preciso para a amostra adicional. de uma taxa de amostragem muito maior. Acontece que esse atraso é de 90 graus. Isso fornece um conjunto de amostras "Q" muito útil que, junto com o conjunto "I", informa muito mais sobre um sinal do que qualquer um sozinho. Talvez o suficiente para desmodular AM, FM, SSB, QAM etc. etc. enquanto amostragem complexa ou de QI na frequência da portadora, ou muito próxima, em vez de muito maior que 2X.

Adicionado:

Um deslocamento exato de 90 graus para o segundo conjunto de amostras também corresponde muito bem à metade dos vetores de base do componente em um DFT. É necessário um conjunto completo para representar totalmente os dados não simétricos. O algoritmo FFT mais eficiente é muito comumente usado para fazer muito processamento de sinal. Outros formatos de amostragem que não sejam QI podem exigir pré-processamento dos dados (por exemplo, ajuste para qualquer desequilíbrio de QI em fase ou ganho) ou uso de FFTs mais longos, sendo potencialmente menos eficiente para algumas das filtragem ou desmodulação comumente realizadas Processamento SDR de dados IF.

Adicionado:

Observe também que a largura de banda em cascata de um sinal SDR IQ, que pode parecer banda larga, é geralmente um pouco mais estreita que o QI ou a taxa de amostragem complexa, mesmo que a frequência central do pré-complexo-heterodino possa ser muito maior que a taxa de amostragem do QI . Portanto, a taxa de componentes (2 componentes por complexo único ou amostra de QI), que é o dobro da taxa de QI, acaba sendo maior que o dobro da largura de banda de interesse, atendendo à amostragem de Nyquist.

Adicionado:

Você não pode criar o segundo sinal de quadratura simplesmente atrasando a entrada, porque está procurando a mudança entre o sinal e o sinal 90 graus depois. E não verá nenhuma alteração se você usar os mesmos dois valores. Somente se você provar em dois momentos diferentes, desloque levemente.

Este é realmente um tópico tão simples que quase ninguém explica bem. Para alguém que luta para entender isso, assista ao vídeo do W2AEW, http://youtu.be/h_7d-m1ehoY?t=3m . Em apenas 16 minutos, ele vai da sopa às nozes, até fazendo demonstrações com seu osciloscópio e um circuito que ele fez.

Ie Qsão simplesmente uma maneira diferente de representar um sinal. Você pensa mentalmente em um sinal como sendo uma onda senoidal, modulada ao longo de sua amplitude, frequência ou fase.

Ondas senoidais podem ser representadas como um vetor. Se você se lembra de vetores na aula de física, tende a trabalhar com os componentes xe ydesse vetor (adicionando x'sjuntos e o y's). Isso é o que Ie Qsão essencialmente o X(sendo em fase - I) e o Y(a Quadratura - Q).

Quando você representa a onda senoidal como um vetor e disponibiliza o Ie Q, pode ser muito mais fácil ter um software para executar a matemática para desmodular o sinal. Seu computador possui chips especializados - a placa de vídeo e a placa de som são VECTORprocessadores - com registros extras para armazenar os componentes xe ypara um cálculo rápido.

É por isso que SDRquer Ie Q. Ie Qpermita que os processadores vetoriais no seu computador façam a desmodulação rápida e eficientemente.