數字還是模擬？我和Q合并和分離應該怎么做？

2021-02-26

模擬IQ調制器（用于發(fā)送器）和IQ解調器（用于接收器）已經(jīng)使用了數十年（[1]至[3]）。

最近，推出了新的A / D和D / A轉換器，它們可以直接采樣1至4 GHz的IF。在第2，第3和第4奈奎斯特區域（[4]至[7]）采樣。這些與高速數字邏輯相結合，使得組合（對于A / D）和分離（對于D / A）能夠以數字方式完成（[8]至[21]）。在數據轉換器（DAC或ADC）位于位置“ D”的圖1（a）（對于調制器）和圖1（b）（對于解調器）中對此進(jìn)行了說(shuō)明。 

圖1（a）。 調制器 

圖1（b）。解調器 

另一方面，集成的模擬I，Q組合器和分隔符在I和Q路徑之間具有很好的匹配，從而解決了以模擬方式進(jìn)行這些處理的一些反對意見(jiàn)。與IF中的直接采樣相比，模擬技術(shù)還需要兩倍于數據轉換器（A / D或D / A）的數據轉換器，但是它們以較低的采樣率運行；因此它們更便宜且所需電量更少。在數據轉換器（DAC或ADC）位于位置“ A”的圖1（a）（對于調制器）和圖1（b）（對于解調器）中對此進(jìn)行了說(shuō)明。

作者開(kāi)始考慮這個(gè)問(wèn)題。他向幾個(gè)LinkedIn組征詢(xún)意見(jiàn)，并獲得了寶貴的答案。經(jīng)確認書(shū)的認可，以下將對其進(jìn)行確認。他還發(fā)現了關(guān)于現代集成電路（IC）的這些功能的所有信息，以及對這些IC的性能要求的確定結果。由此，他試圖得出任何可以得出一般性結論的答案。“應該通過(guò)模擬還是數字方式進(jìn)行IQ調制和解調？” 

模擬智商方法

模擬IQ方法已經(jīng)存在了數十年（[1]至[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(chēng)為同相分量，Q（t）稱(chēng)為正交分量。模擬IQ調制器獲取基帶信號I（t）和Q（t）并形成R（t）。如圖1（a）所示，DAC處于位置A。模擬IQ解調器將R（t）作為輸入，并形成I（t）和Q（t）。如圖1（b）所示，DAC處于位置A。

模擬方法的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是保持兩條路徑上的增益相同，并且相位差恰好為90o。有時(shí)由于這些要求而被忽略的是兩個(gè)低通濾波器。對于存在明顯信號能量的所有頻率，它們應該精確地進(jìn)行增益和相位匹配。這些要求的更精確量化，以及因偏離這些要求而導致的損害，將在以后的文章中介紹。 

數字智商方法

高速數據轉換器（DAC和ADC）的最新發(fā)展已使人們避免了在“模擬IQ方法”部分中討論的IQ不平衡問(wèn)題，方法是數字地實(shí)現IQ調制器和解調器功能，從而無(wú)需產(chǎn)生增益和相位即可產(chǎn)生增益和相位。錯誤（[5]，[8]至[21]）。對于調制器情況，輸出處有一個(gè)高速DAC，如圖1（a）所示，DAC處于位置D。對于解調器情況，其輸入處有一個(gè)高速ADC，如圖1（a）所示。圖1（b），ADC處于位置B。

通常，這些數字方法利用混疊效應，即所謂的帶通采樣（[22]至[24]，[24A]，[24B]）。圖2（a）顯示了及時(shí)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(shí)鐘執行與RF混頻器中的本地振蕩器相同的功能。對于ADC，模擬濾波器只能使一個(gè)Nyquist區域中的信號通過(guò)，并且這種混合動(dòng)作可用于將該Nyquist區域中的信號下變頻為基帶。  

圖2（a）。時(shí)域采樣 

圖2（b）。未采樣和采樣信號的 頻譜 

對于DAC，可以及時(shí)調整輸出形狀，以改善較高頻率下的性能。 

圖3（a）顯示了“正常”或“不歸零”（NRZ）DAC輸出。每次采樣后，輸出保持恒定，直到下一個(gè)采樣為止。模擬頻譜如圖3（b）所示。

圖3（a）。時(shí)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(gè)采樣周期內保持恒定，然后變?yōu)榱?。如圖4（b）所示，這具有增加第二奈奎斯特區中幅度的作用。

圖4（a）。時(shí)域采樣

圖4（b）。

圖5（a）顯示了“混合”或“ RF” DAC輸出。每次采樣后，輸出在半個(gè)采樣周期內保持恒定，然后變?yōu)樵撝档呢撝?。這與使用本地振蕩器波形的兩個(gè)極性的混頻器的操作相同。如圖5（b）所示，模擬頻譜在第二奈奎斯特區的振幅更大。通過(guò)上述任何一種方法創(chuàng )建波形后，必須使用低通或帶通濾波器濾除所需的頻率，以消除可能存在的任何不希望的混疊和雜散響應。 

圖5（a）。時(shí)域采樣 

圖5（b）。

數字方法避免了正交不平衡的任何問(wèn)題。但是，由于量化和采樣效應，所有數據轉換器都有其自己不希望的特性。其中一些效果將在下一篇文章中顯示。與模擬IQ網(wǎng)絡(luò )相比，這些高速數據轉換器的成本和功率要求通常也很高。