デジタルまたはアナログ？私とQの組み合わせと分離はどのように行う必要がありますか？

IとQの組み合わせはどのように行う必要がありますか？アナログまたはデジタルの手段を介して？この記事では、アナログおよびデジタルIQアプローチの基本について説明します。

アナログIQ変調器（送信機用）およびIQ復調器（受信機用）は、数十年にわたって使用されてきました（[1]から[3]）。

最近、新しいA / DおよびD / Aコンバーターが導入されました。これらは、1〜4GHzでIFを直接サンプリングできます。 2番目、3番目、および4番目のナイキストゾーン（[4]から[7]）でのサンプリング。これらをより高速なデジタルロジックと組み合わせることで、結合（A / Dの場合）と分離（D / Aの場合）をデジタルで行うことができます（[8]から[21]）。これは、データコンバータ（DACまたはADC）が「D」の位置にある図1（a）（変調器の場合）および図1（b）（復調器の場合）に示されています。

図1（a）。 モジュレーター

図1（b）。 復調器

一方、統合されたアナログI、Qコンバイナ、およびセパレータは、IパスとQパスの間で非常によく一致しており、これらのプロセスをアナログで実行することに対するいくつかの反対意見を解決します。アナログ技術はまた、IFでの直接サンプリングの2倍のデータコンバーター（A / DまたはD / A）を必要としますが、それらはより低いサンプリングレートで実行されます。そのため、より安価で、必要な電力も少なくて済みます。これは、データコンバータ（DACまたはADC）が「A」の位置にある図1（a）（変調器の場合）および図1（b）（復調器の場合）に示されています。

著者はこの質問について考え始めました。彼はいくつかのLinkedInグループについて意見を求め、貴重な回答を受け取りました。承認を得て、以下に承認されます。彼はまた、これらの機能のための現代の集積回路（IC）の特性について可能な限りの情報と、これらのICに対して決定されたパフォーマンス要件の結果を発見しました。これから、彼は質問に答えるために引き出すことができる一般的な結論を生成しようとしました。 「IQ変調と復調はアナログで行うべきですか、それともデジタルで行うべきですか？」

アナログIQアプローチ

アナログIQアプローチは何十年も前から存在しています（[1]から[3]）。任意のIFまたはRF信号は

で表すことができます

R（t）=I（t）cos（2πft）+ Q（t）sin（2πft）

ここで、fは搬送周波数、I（t）は同相成分と呼ばれ、Q（t）は直交成分と呼ばれます。アナログIQ変調器は、ベースバンド信号I（t）とQ（t）を受け取り、R（t）を形成します。これは、DACが位置Aにある図1（a）に示されています。アナログIQ復調器は、入力R（t）を取り、I（t）とQ（t）を形成します。これは、DACが位置Aにある図1（b）に示されています。

アナログアプローチの重大な問題は、2つのパスを介したゲインを同一に維持し、位相差を正確に90°に維持することです。これらの要件で無視されることがあるのは、2つのローパスフィルターです。それらは、重要な信号エネルギーが存在するすべての周波数に対して正確にゲインと位相が一致している必要があります。これらの要件のより正確な定量化、およびそれらからの逸脱によって引き起こされる障害については、後の記事で説明します。

デジタルIQアプローチ

高速データコンバーター（DACおよびADC）の最近の開発により、IQ変調器および復調器の機能をデジタルで実装することにより、アナログIQアプローチのセクションで説明したIQ不均衡の問題を回避するようになりました。エラー（[5]、[8]から[21]）。変調器の場合、図1（a）に示すように出力に高速DACがあり、DACは位置Dにあります。復調器の場合、入力に高速ADCがあります。図1（b）、ADCが位置Bにある場合。

多くの場合、これらのデジタルアプローチは、いわゆるバンドパスサンプリング（[22]から[24]。[24A]、[24B]）を使用して、エイリアシング効果を利用します。図2（a）は、時間でサンプリングされた波形を示しています。図2（b）は、サンプリングされていない信号とサンプリングされた信号のスペクトルを示しています。 ADCのサンプルクロックは、RFミキサーの局部発振器と同じ機能を実行しています。 ADCの場合、アナログフィルターは1つのナイキストゾーンの信号のみを通過させることができ、このミキシングアクションを使用して、そのナイキストゾーンの信号をベースバンドにダウンコンバートできます。

図2（a）。 時間領域でのサンプリング

図2（b）。 サンプリングされていない信号とサンプリングされた信号のスペクトル

DACの場合、出力を時間内に整形して、より高い周波数でのパフォーマンスを向上させることができます。

図3（a）は、「通常」または「非ゼロ復帰」（NRZ）DAC出力を示しています。各サンプルの後、出力は次のサンプルまで一定のままです。アナログスペクトルを図3（b）に示します。

図3（a）。 時間領域でのサンプリング

図3（b）。

図4（a）は、「Return to Zero」（RZ）DAC出力を示しています。各サンプルの後、出力はサンプル期間の半分の間一定のままであり、その後ゼロになります。これには、図4（b）に示すように、2番目のナイキストゾーンの振幅を増加させる効果があります。

図4（a）。 時間領域でのサンプリング

図4（b）。

図5（a）は、「ミックス」または「RF」DAC出力を示しています。各サンプルの後、出力はサンプル期間の半分の間一定のままであり、その後、その値が負になります。これは、局部発振器波形の両方の極性を使用するミキサーと同じ操作です。図5（b）に示すアナログスペクトルは、2番目のナイキストゾーンでさらに大きな振幅を持っています。上記のいずれかの方法で波形を作成した後、必要な周波数をローパスまたはバンドパスフィルターでフィルターで除去して、不要なエイリアスやスプリアス応答を除去する必要があります。

図5（a）。 時間領域でのサンプリング

図5（b）。

デジタルアプローチは、直交不均衡の問題を回避します。ただし、すべてのデータコンバータには、量子化とサンプリングの影響により、独自の望ましくない付与があります。これらの効果のいくつかは、次の記事で示されます。これらの高速データコンバータのコストと電力要件も、アナログIQネットワークと比較して高いことがよくあります。

謝辞

このレポートで取り上げられた質問が最初に著者の頭に浮かんだとき、彼はいくつかのLinkedInグループを通じてコメントを求めました。いくつかの有用な回答が寄せられました。個人情報の利用を許可した者は以下のとおりです。 Gary Kaatz、Khaled Sayed（Consultix-Egypt）、Dieter Joos（ON Semiconductor）、およびJaideep Bose（Asmaitha Wireless Technologies）。著者はまた、夫が何をしているのか疑問に思っていた妻のエリザベスにも感謝します。彼のホームオフィスにひっそりと佇み、仕事をしていると、明らかに報酬が支払われていませんでした。

参考資料

このシリーズの各記事には、次の参照が使用されます。

アナログIQ復調器と復調器：一般的な説明

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高速データコンバーター（DACおよびADC）;一般情報

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デジタルIQ変調器と復調器

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バンドパスサンプリング（Rev.04は「分数調波サンプリング」を「バンドパスサンプリング」に変更）

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