[SDR] Jakie jest Twoje IQ? Czyli o sygnałach i modulacjach kwadraturowych

Sygnały kwadraturowe są wszędzie

Jeśli chodzi o stosowanie zmiennych w czasie sygnałów I oraz Q do uzyskiwania modulowanych sygnałów RF nie jesteśmy ograniczeni do domeny cyfrowej. I(t) oraz Q(t) mogą być też sygnałami analogowymi. Co więcej, w większości systemów z cyfrowymi modulacjami RF, takimi jak QPSK czy nQAM, sygnały w pasmie podstawowym są filtrowane tak, by zmiany stanów nie były zbyt szybkie, co ogranicza pasmo modulowanego sygnału RF (krótkie czasy narastania i opadania zbocza sygnału cyfrowego powodują znaczne poszerzenie jego pasma!). Takie filtrowane sygnały cyfrowe są w praktyce analogowe! Proces modulacji kwadraturowej w szerszym sensie można więc zilustrować poniższym schematem blokowym.

Ogólny wniosek, który można z tego wyciągnąć jest taki, że stosując odpowiednie przebiegi I(t) oraz Q(t), zmieniające amplitudę i fazę sinusoidy oraz kosinusoidy, da się uzyskać sygnał RF z modulacją dowolnego typu.

Oczywiście, taki sam proces po odwróceniu można zastosować do demodulacji sygnału RF. Mieszając sygnał RF z sygnałami z oscylatora lokalnego przesuniętymi w fazie o 90^o można odzyskać przebiegi I(t) oraz Q(t).

Jest to podstawa większości współczesnych rozwiązań generacji, modulacji oraz demodulacji sygnałów RF, a także ich wektorowej analizy.

Koncepcje te są szeroko wykorzystywane np. w systemach radia programowego SDR (Software Defined Radio), gdyż sygnały w pasmie podstawowym I oraz Q są często reprezentowane jako dane dyskretne, próbkowane w czasie. Pozwala to na stosowanie algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP), takich jak filtracje, modulacja i demodulacja, automatyczne sterowanie wzmocnieniem itp. do definiowania charakterystyk nadajnika i odbiornika. Odbiorniki SDR często cechują się pasmem podstawowym o szerokości kilkuset kHz i więcej, dając możliwość realizacji wielu ciekawych funkcji, włączając w to „szeroki” spektrogram czy bandscope [z tego, co rozumiem, spektrogram i bandscope to właściwie to samo, drugi termin jest bardziej popularny w odbiornikach radiowych, ale nie znalazłem odpowiednika polskiego, pierwszy bardziej ogólny – można jeden z nich usunąć], a także możliwość monitorowania i demodulacji kilku sygnałów różnych typów na raz.

Wektorowe generatory sygnałów są wyposażone w modulator kwadraturowy, na którego wejścia podać można sygnały I(t) i Q(t), używane do modulacji amplitudy pary sinusoid będących w kwadraturze, sumowanych następnie celem uzyskania sygnału wyjściowego RF. Część generatorów wektorowych ma specjalne wejścia na panelu frontowym, pozwalające na podłączenie swoich własnych sygnałów IQ, a część wyposażona jest też we wbudowany generator AWG (Arbitrary Waveform Generator), służący do generacji sygnałów IQ w pasmie podstawowym.

Współczesne wektorowe analizatory sygnałów zwykle obsługują pasma 25, 40, 110 MHz lub więcej. Konwertują podawane na ich wejście sygnały RF, odzyskując z nich składowe I oraz Q. Cała analiza (zmiany widma w czasie, demodulacja, analiza impulsów itp.) sprowadza się do wykonywania operacji matematycznych  na tych samych danych IQ. Analizatory sygnałowe pracujące w czasie rzeczywistym, takie jak Tektronix RSA5000 czy RSA6000, mają też możliwość przetwarzania sygnałów docierających do nich na bieżąco, np. wizualizacji widma sygnału „na żywo” oraz stosowania wyzwalaczy (triggerów) opartych o transjenty widma, widoczne jedynie w dziedzinie częstotliwości.