數字還是模擬？I和Q應該如何合并和分離？

I和Q應該如何結合？通過模擬或數字方式？本文將討論模擬和數字 IQ 方法的基礎知識。

模擬 IQ 調制器（用于發射器）和 IQ 解調器（用于接收器）已經使用了幾十年（[1] 至 [3]）。

最近，推出了新的A / D和D / A轉換器，可以直接在1至4 GHz的頻率下采樣IF;在第 2、3 和 4 奈奎斯特區采樣（[4] 至 [7]）。這些與更高速的數字邏輯相結合，允許以數字方式（[8]至[21]）完成合并（對于A / D）和分離（對于D / A）。如圖1（a）（調制器）和圖1（b）（解調器）所示，數據轉換器（DAC或ADC）位于“D”位置。

圖 1（a）.

調制器

圖 1（b）.

解調器

另一方面，集成模擬I、Q合路器和分離器在I和Q路徑之間具有非常好的匹配，解決了模擬執行這些過程的一些異議。模擬技術還需要兩倍于IF直接采樣的數據轉換器（A/D或D/As），但它們以較低的采樣速率運行;因此，它們更便宜且需要更少的功率。如圖1（a）（對于調制器）和圖1（b）（對于解調器）所示，數據轉換器（DAC或ADC）位于“A”位置。

筆者開始思考這個問題。他在幾個 LinkedIn 群組中征求意見，并獲得了有價值的答案。經致謝者同意，現致謝如下。他還找到了關于這些功能的現代集成電路 (IC) 屬性的所有信息，以及為這些 IC 確定的任何性能要求的結果。由此，他試圖得出任何可以得出的一般性結論來回答這個問題； “IQ 調制和解調應該模擬還是數字方式完成？”

模擬智商方法

模擬 IQ 方法已經存在了幾十年（[1] 到 [3]）。任何 IF 或 RF 信號都可以表示為

R(t) = I(t)cos(2πft) +Q(t)sin(2πft)

其中 f 是載波頻率，I(t) 稱為同相分量，Q(t) 稱為正交分量。模擬 IQ 調制器采用基帶信號 I(t) 和 Q(t) 并形成 R(t)。如圖 1(a) 所示，DAC 位于位置 A。模擬 IQ 解調器將輸入 R(t)，并形成 I(t) 和 Q(t)。如圖 1(b) 所示，DAC 位于位置 A。

模擬方法的一個關鍵問題是保持兩條路徑的增益相同，相位差恰好為 90o。有時會因為這些要求而忽略兩個低通濾波器。對于具有顯著信號能量的所有頻率，它們應該精確增益和相位匹配。這些要求的更精確的量化，以及與它們的偏差造成的損害，將在后面的文章中顯示。

數字智商方法

高速數據轉換器（DAC 和 ADC）的最新發展使人們通過數字方式實現 IQ 調制器和解調器功能來避免模擬 IQ 方法部分中討論的 IQ 不平衡問題，其中增益和相位可以在沒有錯誤（[5]、[8] 到 [21]）。對于調制器情況，輸出端有一個高速 DAC，如圖 1(a) 所示，DAC 位于位置 D。對于解調器情況，輸入端有一個高速 ADC，如圖 1(a) 所示圖 1(b) 中 ADC 在位置 B。

通常，這些數字方法利用混疊效應，使用所謂的帶通采樣（[22] 至 [24]。[24A]，[24B]）。圖 2(a) 顯示了及時采樣的波形。圖 2(b) 顯示了未采樣和采樣信號的頻譜。 ADC 的采樣時鐘執行與 RF 混頻器中的本地振蕩器相同的功能。對于 ADC，模擬濾波器只能允許一個奈奎斯特區中的信號通過，并且這種混頻操作可用于將該奈奎斯特區中的信號下變頻至基帶。

圖 2(a)。

時域采樣

圖 2(b)。

未采樣和采樣信號的頻譜

對于 DAC，可以及時對輸出進行整形，以提高更高頻率下的性能。

圖 3(a) 顯示了“正?！被颉安粴w零”(NRZ) DAC 輸出。在每個樣本之后，輸出保持不變，直到下一個樣本。模擬頻譜如圖 3(b) 所示。

圖 3(a)。

時域采樣

圖 3(b)。

圖 4(a) 顯示了“歸零”(RZ) DAC 輸出。每次采樣后，輸出在半個采樣周期內保持不變，然后變為零。這會增加第二奈奎斯特區的幅度，如圖 4(b) 所示。

圖 4(a)。

時域采樣

圖 4(b)。

圖5（a）顯示了“混合”或“RF”DAC輸出。每個采樣后，輸出在半個采樣周期內保持不變，然后變為負值。這與混頻器的操作相同，混頻器使用本振波形的兩個極性。如圖5（b）所示的模擬頻譜在第二奈奎斯特區具有更大的幅度。通過上述任何方法創建波形后，必須使用低通或帶通濾波器濾除所需頻率，以消除可能存在的任何不需要的混疊和雜散響應。

圖 5（a）.

時域采樣

圖 5（b）.

數字方法避免了正交不平衡的任何問題。然而，由于量化和采樣效應，所有數據轉換器都有其不希望的傳遞。其中一些效果將在下一篇文章中展示。與模擬IQ網絡相比，這些高速數據轉換器的成本和功耗要求通常也很高。

確認

當本報告中提到的問題首次出現在作者的腦海中時，他通過一些LinkedIn團體征求意見。收到了一些有用的答復。允許使用其個人信息的人是;Gary Kaatz，Khaled Sayed（Consultix-Egypt），Dieter Joos（安森美半導體）和Jaideep Bose（Asmaitha Wireless Technologies）。作者還感謝他的妻子伊麗莎白，她可能想知道她的丈夫在做什么;他隱居在家庭辦公室里，做著他顯然沒有得到報酬的工作。

引用

以下參考資料將用于本系列中的每篇文章。

模擬 IQ 調制器和解調器：一般說明

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高速數據轉換器（DAC和ADC）;基本信息

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數字 IQ 調制器和解調器

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帶通采樣（修訂版.04將“次諧波采樣”改為“帶通采樣”）

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智商失衡的影響，不建議補償或剝削

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