Para meu entendimento, os receptores de hardware para aplicativos de rádio definidos por software basicamente captam o sinal de entrada, misturam-no com a frequência de sintonia para remover a frequência da portadora e depois amostram a tensão resultante com uma taxa de amostragem alta o suficiente para a largura de banda do sinal de carga útil . Eles emitem essas amostras para o software de desmodulação na forma de pares de valores de I / Q. Estou assumindo que eles obtêm o valor Q, tomando outra amostra ciclo (com relação à frequência de sintonia) mais tarde, dobrando efetivamente a taxa de amostragem.
Por que eles usam a representação I / Q?
Eu posso ver como I / Q é uma boa representação (em hardware) ao sintetizar sinais, porque você pode, por exemplo, fazer modulação de frequência ou fase apenas por amplitudes variadas, mas esse motivo não parece se aplicar ao caso dos receptores SDR.
Então, há algo ganho usando I / Q para saída em vez de I com o dobro da taxa de amostragem? Ou é apenas uma questão de convenção?
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Respostas:
O SDR (ou qualquer sistema geral de processamento de sinal digital) pega o sinal de RF recebido e o converte da frequência da portadora para a banda de base.
Agora, o sinal de passagem de banda real da antena não tem necessariamente um espectro simétrico em torno da frequência da portadora, mas pode ser arbitrário. Se o conversor descendente agora mudar o espectro para a frequência central, o sinal correspondente no domínio do tempo se torna complexo. Portanto, as amostras I e Q que você obtém do SDR são a parte real e imaginária do sinal complexo da banda base, que corresponde ao seu sinal de banda passante real em torno da frequência da operadora.
Mais detalhes podem ser encontrados no site da wikipedia para conversão digital descendente .
Para responder sua pergunta:
A representação I / Q não corresponde a diferentes pontos de amostragem do sinal. Em vez disso, corresponde à parte real e imaginária do sinal da banda base com valor complexo digital. Essas partes são obtidas multiplicando separadamente o sinal de RF por um seno e um cosseno e amostrando os dois fluxos após a filtragem passa-baixo.
Amostras com dupla frequência podem produzir as mesmas informações que I / Q. Seria necessário homodyne o sinal parafs/4 para obter todas as informações que estariam no sinal de QI de banda base no sinal de banda passante em fs/4 (Onde fs é a taxa de amostragem).
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Pode haver várias razões.
Processamento de computador:
Uma razão para usar dados de QI para o processamento SDR é diminuir a taxa de processamento computacional (para usar um processador de energia mais lento ou mais baixo) para visualização (panadapter) ou desmodulação sem uma etapa de conversão adicional. Muitos esquemas de modulação possuem bandas laterais assimétricas. Os sinais de QI podem transmitir informações não ambíguas sobre as duas bandas laterais em torno de DC (0 Hz) ( veja a explicação aqui), o que significa que a taxa de processamento pode estar muito próxima de CC (0 Hz + largura de banda do sinal + margem de segurança da transição de filtragem), em oposição a acima do dobro da frequência da portadora (mais a largura de banda do sinal, a banda de transição do filtro e etc.). De fato, alguns módulos SDR (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3, etc.) produzem dados de QI em uma interface de áudio estéreo para PC (permitindo processamento a taxas de dados de áudio muito baixas em comparação com portadoras de RF VHF / HF muito mais altas ou HF / LF IF frequências).
Hardware de rádio:
Para fazer o processamento com um fluxo de dados de canal único, é necessária uma taxa de processamento muito alta (acima de 2X a portadora de RF, usando um FPGA etc.) ou alguma maneira de se livrar de imagens ou de aliasing antes da redução da amostragem / conversão descendente, geralmente por um adicional etapa de conversão ou mistura (ou mais) para uma frequência IF, além de um ou mais filtros anti-aliasing associados para rejeição de imagem. Assim, um único fluxo de dados reais de taxa de 2X geralmente requer um estágio IF adicional (e / ou um filtro passa-banda de alta frequência muito estreito, geralmente cristal ou SAW) para fazer isso em comparação com a produção de um fluxo de dados de QI de taxa de 1X. Um estágio IF adicional geralmente requer também um oscilador e um misturador adicionais. Enquanto a conversão direta em dados de QI pode ser realizada sem a necessidade de um filtro passa-banda ou cobertura de alta frequência para rejeição de imagem.
O oscilador de conversão descendente pode ser centrado (ou quase) na portadora de sinal de interesse (RF ou IF), ou um múltiplo baixo, em vez de ser compensado ou muito mais alto. Isso pode simplificar o rastreamento, o bloqueio de fase ou a sincronização desse oscilador e, assim, permitir que a leitura de frequência e / ou a geração de sinal do transmissor transceptor sejam mais simples em hardware de rádio mínimo.
Hardware de conversão:
No hardware, pode ser mais fácil ou mais barato implementar 2 ADCs com uma taxa de amostragem menor do que 1 ADC com uma taxa de amostragem mais alta. Por exemplo, você pode usar uma placa de som estéreo com uma taxa de amostragem de 44,1k (ou 192k), em vez de uma placa de som mais cara com uma taxa de amostragem de 96k (ou 384k), para quase a mesma capacidade de largura de banda de sinal.
Tamanho do quadro:
Os fluxos de amostra de QI (criados por dois canais de mistura e / ou amostragem com deslocamento de fase de 90 graus) também correspondem estreitamente a sinais complexos matemáticos (com componentes reais e imaginários), o que facilita pensar nos dois canais de dados reais como um canal de uma representação matemática complexa. Isso torna certos algoritmos matemáticos (DFT / FFT, desmodulação complexa de envelopes etc.) mais diretamente aplicáveis (e, como mencionado acima, nas taxas de processamento de banda base) com menos operações matemáticas adicionais (offsets ou fftshifts, etc.)
Uma explicação ou descrição desses algoritmos DSP usando matemática complexa geralmente exige menos escrita no quadro-negro da sala de aula do que explicações equivalentes usando uma representação de taxa de amostragem não complexa, mais alta (além de ser muito mais elegante na opinião de muitos). Às vezes, as explicações de QI se traduzem diretamente em menos código (dependendo da linguagem de computador da HLL em seus tipos de dados suportados) ou menos blocos computacionais (usando uma ferramenta de design de caminho de sinal gráfico) são aplicativos SDR.
Compensações:
A desvantagem, é claro, é a necessidade de geração precisa de mudança de fase de 90 graus, 2 ADCs em vez de um e multiplicações complexas (multiplicadores de hardware 4X ou OPs de instruções) em vez de multiplicações únicas por amostra (real ou IQ), para operações semelhantes .
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Um codificador poderia alterar dois sinais da banda base em quadratura e depois separá-los mais tarde, dando um efeito estéreo ao sinal da carga útil, banda base, digamos à esquerda e à direita?
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