SDRレシーバーがI / Qサンプルを送信するのはなぜですか？

ソフトウェア定義の無線アプリケーション用のハードウェアレシーバーを理解するには、基本的に入力信号を受け取り、それを同調周波数と混合してキャリア周波数を削除し、ペイロード信号の帯域幅に対して十分に高いサンプリングレートで結果の電圧をサンプリングします。 。これらのサンプルは、I / Q値のペアの形式で復調ソフトウェアに送信されます。後で別のサンプルをサイクル（チューニング周波数に関して）取得してQ値を取得し、サンプルレートを実質的に2倍にすることを想定しています。$1/4$

なぜI / Q表現を使用するのですか？

たとえば、振幅を変えるだけで周波数または位相変調を行うことができるため、信号を合成するときにI / Qが（ハードウェアで）優れた表現であることがわかりますが、この理由はSDRレシーバーの場合には当てはまらないようです。

では、サンプリングレートの2倍のIではなく、出力にI / Qを使用することで得られるものはありますか？それとも慣習の問題ですか？

SDR（または一般的なデジタル信号処理システム）は、受信したRF信号を受け取り、キャリア周波数からベースバンドにダウンコンバートします。

ここで、アンテナからの実際のバンドパス信号は、必ずしもキャリア周波数の周りに対称スペクトルを持っているわけではありませんが、任意である可能性があります。ダウンコンバーターがスペクトルを中心周波数にシフトすると、対応する時間領域信号が複雑になります。したがって、SDRから取得するIおよびQサンプルは、複素ベースバンド信号の実数部と虚数部であり、キャリア周波数の周りの実際の通過帯域信号に対応します。

詳細については、デジタルダウンコンバージョンのウィキペディアサイトをご覧ください。

あなたの質問に答えるには：

I / Q表現は、信号の異なるサンプリングポイントに対応していません。代わりに、デジタル複素数値ベースバンド信号の実数部と虚数部に対応します。これらの部分は、RF信号に正弦と余弦を個別に乗算し、ローパスフィルタリング後に両方のストリームをサンプリングすることによって得られます。

2倍の周波数でサンプリングすると、I / Qと同じ情報が得られます。信号をにホモダインして、ベースバンドIQ信号に含まれていたすべての情報を通過帯域信号に必要があります（ここで、はサンプリングレートです）。$f_s/4$$f_s/4$$f_s$

いくつかの理由が考えられます。

コンピューター処理：

SDR処理にIQデータを使用する理由の1つは、追加の変換ステップなしで可視化（パナプター）または復調のために計算処理速度を下げる（低速または低消費電力のプロセッサーを使用する）ためです。多くの変調方式には非対称の側波帯があります。IQ信号は、DC（0 Hz）を中心とした両側波帯に関する明確な情報を運ぶことができます（ここの説明を参照））、つまり、処理速度はDC（0 Hz +信号帯域幅+フィルタリング遷移の安全マージン）に非常に近い可能性があることを意味します。実際、一部のSDRモジュール（Funcube Dongle Pro +、Elecraft KX3など）は、IQデータをPCステレオオーディオインターフェイスに生成します（これにより、はるかに高いVHF / HF RFキャリアまたはHF / LF IFと比較して、非常に低いオーディオデータレートでの処理が可能になります。周波数）。

無線ハードウェア：

単一チャネルのデータストリームで処理を行うには、非常に高い処理速度（RFキャリアの2倍を超える、FPGAを使用するなど）、またはダウンサンプリング/ダウンコンバージョンの前に画像またはエイリアスを取り除く何らかの方法が必要です。 IF周波数への変換またはミキシングステップ（またはそれ以上）、およびイメージ除去のための1つ以上の関連するアンチエイリアシングフィルター。したがって、通常、2Xレートの単一の実データストリームは、1XレートのIQデータストリームを生成する場合と比較して、追加のIFステージ（および/または非常に狭い高周波バンドパスフィルター、多くの場合、クリスタルまたはSAW）を必要とします。追加のIFステージには通常、追加の発振器とミキサーも必要です。一方、イメージ除去用の高周波バンドパスまたはルーフィングフィルターを必要とせずに、IQデータへの直接変換を実行できます。

ダウンコンバージョンオシレーターは、対象の信号キャリア（RFまたはIFのいずれか）または低倍数を中心とする（またはそれに近い）ことができます。これにより、この発振器の追跡、位相ロック、または同期がより簡単になり、最小限の無線ハードウェアで周波数の読み取りやトランシーバーの送信機信号の生成がより簡単になります。

変換ハードウェア：

ハードウェアでは、サンプルレートが高い1つのADCよりも、サンプルレートが低い2つのADCを実装する方が簡単または安価です。たとえば、サンプルレートが96k（または384k）のより高価なサウンドカードの代わりに、サンプルレートが44.1k（または192k）のステレオサウンドカードを使用して、ほぼ同じ信号帯域幅を実現できます。

黒板サイズ：

IQサンプルストリーム（90度位相シフトミキシングおよび/またはサンプリングの2つのチャネルによって作成されます）は、数学的複素信号（実数部および虚数部を含む）にも密接に対応しているため、実数データの2つのチャネルを1つのチャネルとして考えるのが容易になります。複雑な数学的表現の。これにより、特定の数学アルゴリズム（DFT / FFT、複素包絡線復調など）がより直接的に（上記のように、ベースバンド処理レートで）適用され、追加の数学演算（オフセットまたはfftshiftなど）が少なくなります。

複雑な数学を使用したこれらのDSPアルゴリズムの説明または説明は、通常、非複雑な高サンプルレート表現を使用した同等の説明よりも教室の黒板に書く必要がありません（多くの人の意見でははるかにエレガントです）。 IQの説明は、SDRアプリケーションの場合は、少ないコード（直接、サポートされているデータ型のHLLコンピューター言語によって異なります）や計算ブロック（グラフィカルな信号パス設計ツールを使用）に直接変換されることがあります。

トレードオフ：

もちろん、欠点は、同様の操作で、正確な90度の位相シフト生成、1つではなく2つのADC、および（実数またはIQ）サンプルごとに1つの乗算ではなく複雑な乗算（4Xハードウェア乗算器または命令OP）が必要なことです。 。

エンコーダーが2つのベースバンド信号を直角位相でシフトし、後でそれらを分離して、ペイロード信号、ベースバンド、たとえば左右にステレオ効果を与えることができますか？