Según tengo entendido, los receptores de hardware para aplicaciones de radio definidas por software básicamente toman la señal de entrada, la mezclan con la frecuencia de sintonización para eliminar la frecuencia portadora y luego muestrean el voltaje resultante con una frecuencia de muestreo que es lo suficientemente alta para el ancho de banda de la señal de carga útil . Emiten esas muestras al software de demodulación en forma de pares de valores I / Q. Supongo que obtienen el valor Q tomando otra muestra ciclo (con respecto a la frecuencia de sintonización) más tarde, duplicando efectivamente la frecuencia de muestreo.
¿Por qué usan la representación I / Q?
Puedo ver cómo I / Q es una buena representación (en hardware) al sintetizar señales porque, por ejemplo, puede hacer modulación de frecuencia o fase simplemente variando las amplitudes, pero esta razón no parece aplicarse al caso de los receptores SDR.
Entonces, ¿se gana algo al usar I / Q para la salida en lugar de I al doble de la frecuencia de muestreo? ¿O es solo una cuestión de convención?
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Respuestas:
El SDR (o cualquier sistema general de procesamiento de señal digital) toma la señal de RF recibida y la convierte desde la frecuencia portadora a la banda base.
Ahora, la señal de paso de banda real de la antena no necesariamente tiene un espectro simétrico alrededor de la frecuencia portadora, pero puede ser arbitraria. Si el convertidor descendente ahora desplaza el espectro a la frecuencia central, la señal correspondiente en el dominio del tiempo se vuelve compleja. Por lo tanto, las muestras I y Q que obtiene del SDR son la parte real e imaginaria de la señal de banda base compleja, que corresponde a su señal de banda de paso real alrededor de la frecuencia portadora.
Se pueden encontrar más detalles, por ejemplo, en el sitio de Wikipedia para la conversión digital hacia abajo .
Para responder tu pregunta:
La representación I / Q no corresponde a diferentes puntos de muestreo de la señal. En cambio, corresponde a la parte real e imaginaria de la señal digital de banda base de valor complejo. Estas partes se obtienen multiplicando por separado la señal de RF con un seno y un coseno y muestreando ambas corrientes después del filtrado de paso bajo.
El muestreo con doble frecuencia puede proporcionar la misma información que I / Q. Sería necesario homodinar la señal paraFs/ 4 para obtener toda la información que habría estado en la señal IQ de banda base para estar en la señal de banda de paso en Fs/ / 4 (dónde Fs es la frecuencia de muestreo).
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Puede haber varias razones.
Procesamiento por computadora:
Una razón para usar los datos IQ para el procesamiento SDR es reducir la velocidad de procesamiento computacional (para usar un procesador de potencia más lento o más bajo) para visualización (panadapter) o demodulación sin un paso de conversión adicional. Muchos esquemas de modulación tienen bandas laterales asimétricas. Las señales IQ pueden transportar información desambiguada sobre ambas bandas laterales alrededor de DC (0 Hz) ( vea la explicación aquí), lo que significa que la velocidad de procesamiento puede estar muy cerca de DC (0 Hz + ancho de banda de señal + margen de seguridad de transición de filtrado), a diferencia del doble de la frecuencia portadora (más ancho de banda de señal, banda de transición de filtro, etc.). De hecho, algunos módulos SDR (Funcube Dongle Pro +, Elecraft KX3, etc.) producen datos IQ en una interfaz de audio estéreo para PC (lo que permite el procesamiento a velocidades de datos de audio muy bajas en comparación con una portadora de VHF / HF RF mucho más alta o HF / LF IF frecuencias).
Hardware de radio:
Para realizar el procesamiento con un flujo de datos de un solo canal se requiere una velocidad de procesamiento muy alta (superior a 2 veces la portadora de RF, utilizando un FPGA, etc.), o alguna forma de deshacerse de las imágenes o el alias antes de la reducción de muestreo / reducción, generalmente por un adicional paso de conversión o mezcla (o más) a una frecuencia IF, más uno o más filtros antisolapamiento asociados para el rechazo de imágenes. Por lo tanto, un flujo de datos reales únicos de velocidad 2X generalmente requiere una etapa IF adicional (y / o un filtro de paso de banda de alta frecuencia muy estrecho, a menudo cristal o SAW) para hacer esto en comparación con la producción de un flujo de datos IQ de velocidad 1X. Una etapa IF adicional generalmente requiere un oscilador y mezclador adicionales también. Mientras que la conversión directa a datos IQ se puede lograr sin la necesidad de un paso de banda de alta frecuencia o un filtro de techo para el rechazo de imágenes.
El oscilador de conversión descendente puede centrarse (o casi) en la portadora de señal de interés (ya sea RF o IF), o un múltiplo bajo, en lugar de estar desplazado o mucho más alto. Esto puede simplificar el seguimiento, el bloqueo de fase o la sincronización de este oscilador y, por lo tanto, permitir que la lectura de frecuencia y / o la generación de la señal del transmisor del transceptor sean más simples en un hardware de radio mínimo.
Hardware de conversión:
En hardware, puede ser más fácil o más económico implementar 2 ADC a una frecuencia de muestreo más baja que 1 ADC a una frecuencia de muestreo más alta. Por ejemplo, puede usar una tarjeta de sonido estéreo con una frecuencia de muestreo de 44.1k (o 192k), en lugar de una tarjeta de sonido más costosa con una frecuencia de muestra de 96k (o 384k), para casi la misma capacidad de ancho de banda de señal.
Tamaño de la pizarra:
Las secuencias de muestra IQ (creadas por dos canales de mezcla y / o muestreo con desplazamiento de fase de 90 grados) también corresponden estrechamente a señales matemáticas complejas (con componentes reales e imaginarios), lo que hace que sea más fácil pensar en los dos canales de datos reales como un solo canal de una representación matemática compleja. Esto hace que ciertos algoritmos matemáticos (DFT / FFT, demodulación de envoltura compleja, etc.) sean más directamente aplicables (y, como se mencionó anteriormente, a velocidades de procesamiento de banda base) con menos operaciones matemáticas adicionales (desplazamientos o desplazamientos de velocidad, etc.)
Una explicación o descripción de estos algoritmos DSP que usan matemáticas complejas generalmente requiere menos escritura en una pizarra de clase que explicaciones equivalentes que usan una representación de frecuencia de muestreo no compleja más alta (además de ser mucho más elegante en la opinión de muchos). Las explicaciones de IQ a veces se traducen directamente a menos código (dependiendo del lenguaje de computadora HLL en sus tipos de datos compatibles), o menos bloques computacionales (usando una herramienta de diseño de ruta de señal gráfica) son aplicaciones SDR.
Compensaciones:
La desventaja, por supuesto, es la necesidad de una generación precisa de cambio de fase de 90 grados, 2 ADC en lugar de uno y multiplicaciones complejas (multiplicadores de hardware 4X u OP de instrucción) en lugar de una sola multiplicación por muestra (real o IQ), para operaciones similares .
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¿Podría un codificador cambiar dos señales de banda base en cuadratura y luego separarlas, dando un efecto estéreo a la señal de carga útil, banda base, digamos izquierda y derecha?
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