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Comprendre les signaux I / Q et la modulation en quadrature

Date:2020/5/22 14:43:09 Hits:


Démodulation radiofréquence
Découvrez les signaux «I / Q», comment ils sont utilisés et pourquoi ils sont avantageux dans les systèmes RF.

Ce chapitre ne serait pas complet sans une page sur la démodulation en quadrature. Cependant, avant d'explorer la démodulation en quadrature, nous devons discuter au moins brièvement de la modulation en quadrature. Et avant de discuter de la modulation en quadrature, nous devons comprendre les signaux I / Q.

En phase et en quadrature
Le terme «I / Q» est l'abréviation de «en phase» et «quadrature». Malheureusement, nous avons déjà un problème de terminologie. Tout d'abord, «en phase» et «en quadrature» n'ont aucune signification en soi; la phase est relative, et quelque chose ne peut être «en phase» ou «hors phase» qu'en référence à un autre signal ou à un point de référence établi.


De plus, nous avons maintenant le mot «quadrature» appliqué à la fois à un signal et aux techniques de modulation / démodulation associées à ce signal.

Dans tous les cas, «en phase» et «en quadrature» se réfèrent à deux sinusoïdes qui ont la même fréquence et sont déphasées de 90 °. Par convention, le signal I est une forme d'onde cosinus et le signal Q est une forme d'onde sinusoïdale. Comme vous le savez, une onde sinusoïdale (sans aucune phase supplémentaire) est décalée de 90 ° par rapport à une onde cosinusoïdale. Une autre façon d'exprimer cela est que les ondes sinus et cosinus sont en quadrature.

La première chose à comprendre à propos des signaux I / Q est qu'ils sont toujours modulés en amplitude, et non modulés en fréquence ou en phase. Cependant, la modulation d'amplitude I / Q est différente de la technique AM discutée au chapitre 4: dans un modulateur I / Q, les signaux qui modulent les sinusoïdes I / Q ne sont pas décalés de sorte qu'ils soient toujours positifs.


En d'autres termes, la modulation I / Q implique la multiplication des formes d'onde I / Q en modulant des signaux qui peuvent avoir des valeurs de tension négatives, et par conséquent la modulation "d'amplitude" peut entraîner un déphasage de 180 °. Plus loin dans cette page, nous explorerons ce problème plus en détail.

Qu'y a-t-il de si avantageux à moduler en amplitude deux sinusoïdes déphasées de 90 °? Pourquoi la modulation et la démodulation I / Q sont-elles si répandues? Continuer à lire.

Somme I et Q
Les signaux I et Q seuls ne sont pas très intéressants. La chose intéressante se produit lorsque des formes d'onde I et Q sont ajoutées. Il s'avère que toute forme de modulation peut être effectuée simplement en faisant varier l'amplitude - seulement l'amplitude - des signaux I et Q, puis en les ajoutant ensemble.

Si vous prenez des signaux I et Q d'amplitude égale et les ajoutez, le résultat est une sinusoïde avec une phase qui est exactement entre la phase du signal I et la phase du signal Q.



En d'autres termes, si vous considérez la forme d'onde I comme ayant une phase de 0 ° et la forme d'onde Q comme ayant une phase de 90 °, le signal de sommation aura une phase de 45 °. Si vous souhaitez utiliser ces signaux I et Q pour créer une forme d'onde modulée en amplitude, il vous suffit de moduler en amplitude les signaux I et Q individuels.



De toute évidence, un signal augmentera ou diminuera en amplitude s'il est créé en additionnant deux signaux qui augmentent ou diminuent tous les deux en amplitude.


Cependant, vous devez vous assurer que la modulation d'amplitude appliquée au signal I est identique à la modulation d'amplitude appliquée au signal Q, car si elles ne sont pas identiques, vous aurez un déphasage. Et cela nous amène à la prochaine propriété de la signalisation I / Q.

De l'amplitude à la phase
La modulation de phase, sous la forme d'un détrompage par déphasage, est une technique importante dans les systèmes RF modernes, et la modulation de phase peut être facilement réalisée en faisant varier l'amplitude des signaux I / Q. Considérez les tracés suivants:





Comme vous pouvez le voir, l'augmentation de l'amplitude de l'une des formes d'onde par rapport à l'autre provoque le décalage du signal de sommation vers la forme d'onde d'amplitude supérieure. Cela a un sens intuitif: si vous avez éliminé la forme d'onde Q, par exemple, la sommation se déplacerait complètement jusqu'à la phase de la forme d'onde I, car (évidemment) l'ajout de la forme d'onde I à zéro entraînera un signal de sommation identique à la forme d'onde I.

Il semblerait d'après la discussion ci-dessus que la signalisation I / Q ne peut être utilisée que pour décaler un signal de 90 ° (c.-à-d., 45 ° dans chaque direction): si l'amplitude Q est réduite à zéro, la sommation va jusqu'au I phase; si l'amplitude I est réduite à zéro, la sommation va jusqu'à la phase Q.



Comment, alors, pourrions-nous utiliser les signaux I / Q pour créer (par exemple) la modulation par décalage de phase en quadrature (QPSK), qui utilise des valeurs de phase couvrant une plage de 270 °? Nous en discuterons dans la section suivante.

Modulation en quadrature
Le terme «modulation en quadrature» fait référence à une modulation basée sur la somme de deux signaux en quadrature. En d'autres termes, il s'agit d'une modulation basée sur le signal I / Q. Nous utiliserons QPSK comme exemple de fonctionnement de la modulation en quadrature et, dans le processus, nous verrons comment la modulation d'amplitude des signaux I / Q peut produire des déphasages au-delà de 90 °.



Il s'agit d'un schéma fonctionnel de base pour un modulateur QPSK. Tout d'abord, le flux de données numériques est traité de sorte que deux bits consécutifs deviennent deux bits parallèles. Ces deux bits seront transmis simultanément; en d'autres termes, comme mentionné dans cette page, QPSK permet à un symbole de transférer deux bits.



L'oscillateur local génère la sinusoïde porteuse. Le signal de l'oscillateur local devient lui-même la porteuse I et un déphasage de 90 ° est appliqué pour créer la porteuse Q. Les porteuses I et Q sont multipliées par les flux de données I et Q, et les deux signaux résultant de ces multiplications sont additionnés pour produire la forme d'onde modulée QPSK.

Les flux de données I et Q modulent en amplitude les porteuses I et Q et, comme expliqué ci-dessus, ces modulations d'amplitude individuelles peuvent être utilisées pour produire une modulation de phase dans le signal final. Si les flux de données I et Q étaient des signaux numériques typiques s'étendant de la terre à une certaine tension positive, nous appliquerions une activation / désactivation aux porteuses I et Q, et notre déphasage serait limité à 45 ° dans les deux sens.


Cependant, si les flux de données I et Q sont des signaux bipolaires, c'est-à-dire s'ils oscillent entre une tension négative et une tension positive, notre «modulation d'amplitude» inverse en fait la porteuse chaque fois que les données d'entrée sont logiquement faibles (car la tension d'entrée négative multiplié par le porteur entraîne une inversion). Cela signifie que nous aurons quatre états I / Q:

* I normal et Q normal


* I normal et Q inversé


* J'ai inversé et Q normal


* I inversé et Q inversé


Que produira la sommation dans chacun de ces cas? (Notez que dans les graphiques suivants, la fréquence des formes d'onde est choisie de telle sorte que le nombre de secondes sur l'axe des x soit le même que le déphasage en degrés.)

I Normal et Q Normal



I Normal et Q inversé




I inversé et Q normal




I inversé et Q inversé




Comme vous pouvez le voir, la sommation dans ces quatre cas produit exactement ce que nous voulons avoir dans un signal QPSK: des déphasages de 45 °, 135 °, 225 ° et 315 °.


Résumé

* La signalisation I / Q se réfère à l'utilisation de deux sinusoïdes qui ont la même fréquence et un déphasage relatif de 90 °.


* La modulation d'amplitude, de phase et de fréquence peut être effectuée en additionnant les signaux I / Q modulés en amplitude.


* La modulation en quadrature fait référence à la modulation qui implique des signaux I / Q.


* L'incrustation à décalage de phase en quadrature peut être effectuée en ajoutant des porteuses I et Q qui ont été multipliées individuellement, conformément aux données numériques entrantes, par +1 ou –1.






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