数字还是模拟？I和Q应该如何合并和分离？

I和Q应该如何结合？通过模拟或数字方式？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] 至 [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IF;在第 2、3 和 4 奈奎斯特区采样（[4] 至 [7]）。这些与更高速的数字逻辑相结合，允许以数字方式（[8]至[21]）完成合并（对于A / D）和分离（对于D / A）。如图1（a）（调制器）和图1（b）（解调器）所示，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合路器和分离器在I和Q路径之间具有非常好的匹配，解决了模拟执行这些过程的一些异议。模拟技术还需要两倍于IF直接采样的数据转换器（A/D或D/As），但它们以较低的采样速率运行;因此，它们更便宜且需要更少的功率。如图1（a）（对于调制器）和图1（b）（对于解调器）所示，数据转换器（DAC或ADC）位于“A”位置。

笔者开始思考这个问题。他在几个 LinkedIn 群组中征求意见，并获得了有价值的答案。经致谢者同意，现致谢如下。他还找到了关于这些功能的现代集成电路 (IC) 属性的所有信息，以及为这些 IC 确定的任何性能要求的结果。由此，他试图得出任何可以得出的一般性结论来回答这个问题； “IQ 调制和解调应该模拟还是数字方式完成？”

模拟智商方法

模拟 IQ 方法已经存在了几十年（[1] 到 [3]）。任何 IF 或 RF 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)。如图 1(a) 所示，DAC 位于位置 A。模拟 IQ 解调器将输入 R(t)，并形成 I(t) 和 Q(t)。如图 1(b) 所示，DAC 位于位置 A。

模拟方法的一个关键问题是保持两条路径的增益相同，相位差恰好为 90º。有时会因为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，它们应该精确增益和相位匹配。这些要求的更精确的量化，以及与它们的偏差造成的损害，将在后面的文章中显示。

数字智商方法

高速数据转换器（DAC 和 ADC）的最新发展使人们通过数字方式实现 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，其中增益和相位可以在没有错误（[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) 中 ADC 在位置 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] 至 [24]。[24A]，[24B]）。图 2(a) 显示了及时采样的波形。图 2(b) 显示了未采样和采样信号的频谱。 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奈奎斯特区中的信号通过，并且这种混频操作可用于将该奈奎斯特区中的信号下变频至基带。 

图 2(a)。

时域采样

图 2(b)。

未采样和采样信号的频谱 

对于 DAC，可以及时对输出进行整形，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。在每个样本之后，输出保持不变，直到下一个样本。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。这会增加第二奈奎斯特区的幅度，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。每个采样后，输出在半个采样周期内保持不变，然后变为负值。这与混频器的操作相同，混频器使用本振波形的两个极性。如图5（b）所示的模拟频谱在第二奈奎斯特区具有更大的幅度。通过上述任何方法创建波形后，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需要的混叠和杂散响应。

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其不希望的传递。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耗要求通常也很高。

确认

当本报告中提到的问题首次出现在作者的脑海中时，他通过一些LinkedIn团体征求意见。收到了一些有用的答复。允许使用其个人信息的人是;Gary Kaatz，Khaled Sayed（Consultix-Egypt），Dieter Joos（安森美半导体）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;他隐居在家庭办公室里，做着他显然没有得到报酬的工作。

引用

以下参考资料将用于本系列中的每篇文章。

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）;基本信息

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数字 IQ 调制器和解调器

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带通采样（修订版.04将“次谐波采样”改为“带通采样”）

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智商失衡的影响，不建议补偿或剥削

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7.7 对基带DAC和ADC的要求

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对射频DAC和ADC的要求;和射频非线性

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