디지털 또는 아날로그? I와 Q의 결합과 분리는 어떻게 해야 합니까?

I와 Q를 결합하려면 어떻게 해야 합니까? 아날로그 또는 디지털 수단을 통해? 이 기사에서는 아날로그 및 디지털 IQ 접근 방식의 기본 사항에 대해 설명합니다.

아날로그 IQ 변조기(송신기용) 및 IQ 복조기(수신기용)는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다([1] ~ [3]).

최근에 새로운 A/D 및 D/A 컨버터가 도입되어 1 ~ 4GHz에서 IF를 직접 샘플링할 수 있습니다. 2, 3, 4 Nyquist 구역([4]~[7])에서 샘플링합니다. 이들은 고속 디지털 논리와 결합되어 결합(A/D의 경우) 및 분리(D/A의 경우)를 디지털 방식으로 수행할 수 있습니다([8] ~ [21]). 이것은 "D" 위치에 데이터 컨버터(DAC 또는 ADC)가 있는 그림 1(a)(변조기의 경우) 및 그림 1(b)(복조기의 경우)에 설명되어 있습니다.

그림 1(a) 변조기

그림 1(b). 복조기

반면에, 통합된 아날로그 I, Q 결합기 및 분리기는 I 및 Q 경로 간에 매우 잘 일치하여 이러한 프로세스를 유사하게 수행하는 데 대한 일부 반대를 해결합니다. 아날로그 기술은 또한 IF에서 직접 샘플링하는 것보다 두 배의 데이터 변환기(A/D 또는 D/A)가 필요하지만 더 낮은 샘플링 속도로 실행됩니다. 그래서 그들은 더 싸고 더 적은 전력을 필요로 합니다. 이것은 그림 1(a)(변조기의 경우) 및 그림 1(b)(복조기의 경우)에서 "A" 위치에 데이터 변환기(DAC 또는 ADC)를 표시합니다.

저자는 이 질문에 대해 생각하기 시작했습니다. 그는 여러 LinkedIn 그룹에 대한 의견을 요청했고 귀중한 답변을 받았습니다. 승인자의 승인을 받아 아래와 같이 승인합니다. 그는 또한 이러한 기능을 위한 최신 집적 회로(IC)의 속성과 이러한 IC에 대해 결정된 성능 요구 사항의 결과에 대해 가능한 모든 정보를 알아냈습니다. 이것으로부터 그는 질문에 답하기 위해 이끌어낼 수 있는 모든 일반적인 결론을 도출하려고 노력했습니다. "IQ 변조 및 복조를 아날로그 방식으로 수행해야 하나요 아니면 디지털 방식으로 수행해야 하나요?"

아날로그 IQ 접근 방식

아날로그 IQ 접근 방식은 수십 년 동안 사용되어 왔습니다([1]~[3]). 모든 IF 또는 RF 신호는

로 나타낼 수 있습니다.

R(t) =I(t)cos(2πft) +Q(t)sin(2πft)

여기서 f는 반송파 주파수, I(t)는 In-Phase 구성 요소, Q(t)는 Quadrature 구성 요소라고 합니다. 아날로그 IQ 변조기는 기저대역 신호 I(t) 및 Q(t)를 취하여 R(t)를 형성합니다. 이것은 그림 1(a)에 DAC가 위치 A에 표시되어 있습니다. 아날로그 IQ 복조기는 입력 R(t)를 사용하고 I(t) 및 Q(t)를 형성합니다. 이는 그림 1(b)에 DAC가 위치 A에 있는 상태로 나와 있습니다.

아날로그 방식의 중요한 문제는 두 경로를 통한 이득을 동일하게 유지하고 위상차가 정확히 90º가 되도록 유지하는 것입니다. 때때로 이러한 요구 사항을 무시하는 것은 두 개의 저역 통과 필터입니다. 상당한 신호 에너지가 있는 모든 주파수에 대해 정확히 이득과 위상이 일치해야 합니다. 이러한 요구 사항에 대한 보다 정확한 수량화 및 이러한 요구 사항의 편차로 인한 손상은 이후 기사에서 확인할 수 있습니다.

디지털 IQ 접근 방식

고속 데이터 컨버터(DAC 및 ADC)의 최근 개발로 인해 사람들은 IQ 변조기 및 복조기 기능을 디지털 방식으로 구현하여 아날로그 IQ 접근 섹션에서 논의된 IQ 불균형 문제를 피하게 되었습니다. 오류([5], [8] ~ [21]). 변조기의 경우 DAC가 위치 D에 있는 그림 1(a)와 같이 출력에 고속 DAC가 있습니다. 복조기의 경우 그림 1(a)에 표시된 것처럼 입력에 고속 ADC가 있습니다. 그림 1(b) ADC가 B 위치에 있는 경우.

종종 이러한 디지털 방식은 대역통과 샘플링([22] ~ [24]. [24A], [24B])이라고 하는 것을 사용하여 앨리어싱 효과를 이용합니다. 그림 2(a)는 시간에 따라 샘플링된 파형을 보여줍니다. 그림 2(b)는 샘플링되지 않은 신호와 샘플링된 신호의 스펙트럼을 보여줍니다. ADC의 샘플 클럭은 RF 믹서의 로컬 오실레이터와 동일한 기능을 수행합니다. ADC의 경우 아날로그 필터는 하나의 Nyquist 영역에 있는 신호만 통과하도록 허용할 수 있으며 이 믹싱 작업을 사용하여 해당 Nyquist 영역의 신호를 기저대역으로 하향 변환할 수 있습니다.

그림 2(a). 시간 영역에서 샘플링

그림 2(b). 샘플링되지 않은 신호와 샘플링된 신호의 스펙트럼

DAC의 경우 더 높은 주파수에서 성능을 향상시키기 위해 시간에 따라 출력이 형성될 수 있습니다.

그림 3(a)는 "Normal" 또는 "Non-Return to Zero"(NRZ) DAC 출력을 보여줍니다. 각 샘플 후에 출력은 다음 샘플까지 일정하게 유지됩니다. 아날로그 스펙트럼은 그림 3(b)에 나와 있습니다.

그림 3(a). 시간 영역에서 샘플링

그림 3(b).

그림 4(a)는 "Return to Zero"(RZ) DAC 출력을 보여줍니다. 각 샘플 후에 출력은 샘플 기간의 절반 동안 일정하게 유지된 다음 0이 됩니다. 이것은 그림 4(b)와 같이 두 번째 나이퀴스트 영역에서 진폭을 증가시키는 효과가 있습니다.

그림 4(a). 시간 영역에서 샘플링

그림 4(b).

그림 5(a)는 "Mix" 또는 "RF" DAC 출력을 보여줍니다. 각 샘플 후에 출력은 샘플 기간의 절반 동안 일정하게 유지되고 그 값은 음수로 이동합니다. 이것은 로컬 오실레이터 파형의 두 극성을 모두 사용하는 믹서와 동일한 작업입니다. 그림 5(b)에 표시된 아날로그 스펙트럼은 두 번째 Nyquist 영역에서 훨씬 더 큰 진폭을 가지고 있습니다. 위의 방법 중 하나를 통해 파형이 생성된 후 원하지 않는 별칭과 스퓨리어스 응답을 제거하려면 저역 통과 또는 대역 통과 필터를 사용하여 원하는 주파수를 필터링해야 합니다.

그림 5(a). 시간 영역에서 샘플링

그림 5(b).

디지털 방식은 직교 불균형 문제를 방지합니다. 그러나 모든 데이터 변환기에는 양자화 및 샘플링 효과로 인해 원치 않는 고유한 영향이 있습니다. 이러한 효과 중 일부는 다음 기사에서 보여질 것입니다. 이러한 고속 데이터 컨버터의 비용 ​​및 전력 요구 사항도 아날로그 IQ 네트워크에 비해 높은 경우가 많습니다.

감사합니다

이 보고서에서 다루는 질문이 저자의 마음에 처음 나타났을 때 그는 일부 LinkedIn 그룹을 통해 의견을 요청했습니다. 몇 가지 유용한 응답을 받았습니다. 개인정보의 이용을 허락한 자는 다음과 같습니다. Gary Kaatz, Khaled Sayed(Consultix-Egypt), Dieter Joos(ON Semiconductor) 및 Jaideep Bose(Asmaitha Wireless Technologies). 저자는 또한 남편이 무엇을 하고 있는지 궁금했던 아내 엘리자베스에게도 감사를 표합니다. 집 사무실에서 한적한 곳에서 일을 하며 급여를 받지 못하는 것 같았습니다.

참조

이 시리즈의 각 기사에는 다음 참조가 사용됩니다.

아날로그 IQ 변조기 및 복조기:일반 설명

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고속 데이터 컨버터(DAC 및 ADC); 일반 정보

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디지털 IQ 변조기 및 복조기

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7.9 LTE ​​고급을 위한 반송파 집성 광대역 스펙트럼 요구 사항.

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