数字还是模拟？我和Q应该如何合并和分离？

I 和 Q 组合应该如何完成？通过模拟还是数字方式？本文将讨论模拟和数字 IQ 方法的基础知识。

模拟 IQ 调制器（用于发射器）和 IQ 解调器（用于接收器）已经使用了几十年（[1] 到 [3]）。

最近推出了新的 A/D 和 D/A 转换器，可以直接在 1 至 4 GHz 的频率下采样中频；在第 2、第 3 和第 4 奈奎斯特区（[4] 到 [7]）中采样。这些与更高速度的数字逻辑相结合，允许以数字方式进行组合（对于 A/D）和分离（对于 D/A）（[8] 到 [21]）。这在图 1(a)（对于调制器）和图 1(b)（对于解调器）中说明，数据转换器（DAC 或 ADC）位于“D”位置。

图 1(a)。 调制器

图 1(b)。 解调器

另一方面，集成模拟 I、Q 组合器和分离器在 I 和 Q 路径之间具有非常好的匹配，解决了对模拟进行这些过程的一些反对意见。模拟技术还需要两倍于中频直接采样的数据转换器（A/D 或 D/As），但它们以较低的采样率运行；所以它们更便宜并且需要更少的电力。这在图 1(a)（对于调制器）和图 1(b)（对于解调器）中进行了说明，数据转换器（DAC 或 ADC）位于位置“A”。

笔者开始思考这个问题。他在几个LinkedIn群组上征求意见，并得到了宝贵的答复。经确认者同意，现予以承认。他还找出了有关这些功能的当代集成电路 (IC) 特性的任何信息，以及为这些 IC 确定的任何性能要求的结果。据此，他试图得出可以得出的任何一般性结论来回答这个问题； “IQ 调制和解调应该以模拟方式还是以数字方式进行？”

模拟智商方法

模拟 IQ 方法已经存在了几十年（[1] 到 [3]）。任何中频或射频信号都可以表示为

R(t) =I(t)cos(2πft) +Q(t)sin(2πft)

其中 f 是载波频率，I(t) 称为同相分量，Q(t) 称为正交分量。模拟 IQ 调制器采用基带信号 I(t) 和 Q(t) 并形成 R(t)。这在图 1(a) 中显示，DAC 位于位置 A。模拟 IQ 解调器将 R(t) 作为输入，并形成 I(t) 和 Q(t)。这在图 1(b) 中显示，DAC 位于位置 A。

模拟方法的一个关键问题是保持通过两条路径的增益相同，并且相位差恰好为 90º。有时会因这些要求而忽略两个低通滤波器。对于具有显着信号能量的所有频率，它们应该精确地增益和相位匹配。对这些要求的更准确量化，以及因偏离这些要求而造成的损害，将在后面的文章中展示。

数字智商方法

高速数据转换器（DAC 和 ADC）的最新发展已经引导人们通过以数字方式实现 IQ 调制器和解调器功能来避免模拟 IQ 方法部分中讨论的 IQ 不平衡问题，其中无需错误（[5]，[8] 到 [21]）。对于调制器情况，输出端有一个高速 DAC，如图 1(a) 所示，DAC 位于位置 D。对于解调器情况，输入端有一个高速 ADC，如图 1(a) 所示图 1(b) ADC 处于位置 B。

通常，这些数字方法利用混叠效应，使用所谓的带通采样（[22] 到 [24]。[24A]、[24B]）。图 2(a) 显示了一个及时采样的波形。图 2(b) 显示了未采样和采样信号的光谱。 ADC 的采样时钟执行与 RF 混频器中的本地振荡器相同的功能。对于 ADC，模拟滤波器只能允许一个 Nyquist 区域中的信号通过，而这种混频操作可用于将该 Nyquist 区域中的信号下变频到基带。

图 2(a)。 时域采样

图 2(b)。 未采样和采样信号的频谱

对于 DAC，可以及时调整输出以提高更高频率下的性能。

图 3(a) 显示了“正常”或“不归零”(NRZ) DAC 输出。每次采样后，输出保持不变，直到下一次采样。模拟频谱如图3(b)所示。

图 3(a)。 时域采样

图 3(b)。

图 4(a) 显示了“归零”(RZ) DAC 输出。每次采样后，输出在半个采样周期内保持不变，然后变为零。这具有增加第二奈奎斯特区振幅的效果，如图 4(b) 所示。

图 4(a)。 时域采样

图 4(b)。

图 5(a) 显示了“混合”或“RF”DAC 输出。每次采样后，输出在半个采样周期内保持不变，然后变为负值。这与使用本地振荡器波形的两种极性的混频器的操作相同。图 5(b) 所示的模拟频谱在第二个奈奎斯特区具有更大的幅度。通过上述任何一种方法创建波形后，必须使用低通或带通滤波器滤除所需频率，以消除可能存在的任何不希望的混叠和杂散响应。

图 5(a)。 时域采样

图 5(b)。

数字方法避免了正交不平衡的任何问题。然而，由于量化和采样效应，所有数据转换器都有自己不想要的影响。其中一些效果将在下一篇文章中展示。与模拟 IQ 网络相比，这些高速数据转换器的成本和功率要求通常也很高。

致谢

当这份报告中提到的问题第一次出现在作者的脑海中时，他通过一些 LinkedIn 群组征求意见。收到了一些有用的答复。那些允许使用他们的个人信息的人是； Gary Kaatz、Khaled Sayed（Consultix-Egypt）、Dieter Joos（ON Semiconductor）和 Jaideep Bose（Asmaitha Wireless Technologies）。作者还感谢他的妻子伊丽莎白，她可能想知道她的丈夫在做什么；隐居在他的家庭办公室，做着显然没有报酬的工作。

参考文献

本系列的每篇文章都将使用以下参考文献。

模拟 IQ 调制器和解调器：一般说明

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高速数据转换器（DAC 和 ADC）；一般信息

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智商失衡的影响，不建议补偿或剥削

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