Qual é a conexão entre a relação sinal / ruído analógico e a relação sinal / ruído no plano IQ em um sistema de desmodulação em quadratura?


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Gostaríamos de calcular a relação quantitativa entre o ruído analógico próximo à frequência LO e as estatísticas dos pontos encontrados no plano de QI após a desmodulação do QI. Para entender completamente a questão, primeiro fornecemos uma descrição detalhada do sistema de desmodulação de QI.

Sistema de desmodulação QI

Um mixer de QI capta sinais em alta frequência e os leva a uma frequência mais baixa para que possam ser processados ​​com mais facilidade. A Figura 1 mostra um esquema de um misturador de QI. O sinal do oscilador local (LO) ) é usado para misturar o sinal de RF para uma frequência mais baixa.cos(Ωt

Sistema completo de desmodulação de QI Figura 1: Cadeia completa de processamento de sinal. O sinal de frequência de microondas (e o ruído) entram no misturador de QI através da porta RF. Este sinal é misturado com um oscilador local (LO) para converter os sinais de frequência intermédia e . Os sinais de frequência intermediária são então filtrados para remover o componente de alta frequência restante (consulte o texto) e amostrados digitalmente. A detecção da amplitude e fase de cada componente de frequência é feita via transformada de Fourier discreta na lógica digital.IQ

Sinal coerente - caixa dc

Suponha que no sinal de RF recebido . Então os sinais e seriam Passamos esses sinais através de filtros passa-baixo para remover os termos , produzindo Como podemos ver, o dc eMporque(Ωt+ϕ)EuQ

Eu(t)=M2porque(ϕ)+M2porque(2Ωt+ϕ)Q(t)=-M2pecado(ϕ)-M2pecado(2Ωt+ϕ).
2Ω
EuF(t)=M2porque(ϕ)QF(t)=-M2pecado(ϕ).
EuQas tensões podem ser consideradas como as coordenadas cartesianas que fornecem a amplitude e a fase do sinal original. Portanto, o mixer fez o seu trabalho de nos permitir encontrar a amplitude e a fase de um sinal de alta frequência, fazendo apenas medições de baixa frequência.

Sinal coerente - caixa ac

Na prática, geralmente não desmodulamos o sinal de RF em CC. Há várias razões para isso:

  1. A densidade espectral do ruído quase sempre aumenta acentuadamente em baixas frequências.

  2. Se quisermos medir simultaneamente a amplitude e a fase de vários componentes sinusoidais em diferentes frequências, não podemos desmodular diretamente a CC na parte analógica do sistema.

Como um exemplo relacionado ao item 2, podemos ter Para encontrar a amplitude e a fase de ambos os componentes de frequência, devemos usar um processamento de sinal um pouco mais complexo. O e onda formas, neste caso, são Para encontrar amplitudes e fases, precisamos essencialmente executar uma transformação de Fourier. Para isso, digitalizamos as formas de onda, produzindo

RF(t)=M1 1porque([Ω+ω1 1]t+ϕ1 1)+M2porque([Ω+ω2]t+ϕ2).
EuFQF
EuF(t)=M1 12porque(ω1 1t+ϕ1 1)+M22porque(ω2t+ϕ2)QF(t)=-M1 12pecado(ω1 1t+ϕ1 1)-M22pecado(ω2t+ϕ2).
Eun=M1 12porque(ω1 1nδt+ϕ1 1)+M22porque(ω2nδt+ϕ2)Qn=-M1 12pecado(ω1 1nδt+ϕ1 1)-M22pecado(ω2nδt+ϕ2)
onde é o intervalo de amostragem digital. Então, na lógica digital, construímos a série complexa definida por . Para os sinais escritos acima, isso é Se agora, na lógica digital, calcularmos a soma δtznznEun+EuQn
zn=M1 12exp(Eu[ω1 1nδt+ϕ1 1])+M22exp(Eu[ω2nδt+ϕ2]).
Z(ωk)=1 1Nn=0 0N-1 1zne-Euωknδt
recuperamos a amplitude e a fase do componente na frequência . Por exemplo, se calculássemos , .ωkZ(ω1 1)(M1 1/2)exp(Euϕ1 1)

Ruído

Na prática, o sinal sempre vem com ruído. O efeito do ruído é tornar uma variável aleatória em vez de um valor determinístico. Em outras palavras, para cada é aleatório e será diferente para cada realização do experimento.Z(ω) ω Z(ω)

Podemos deduzir da intuição que, na presença de ruído, tem uma distribuição circular simétrica no plano de QI com média igual ao valor determinístico . A questão é o que exatamente é a distribuição estatística de na presença de ruído?Z(ω)(M/2)exp(Euϕ)Z

Respostas:


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Como cada etapa da cadeia de processamento é linear, consideramos um caso apenas com ruído e sem sinal coerente. Indique o ruído . Os sinais e são Expressamos o efeito do filtro como uma convolução com a função de resposta no tempo , e da mesma forma para . Observe que, como o filtro é causal, para . A amostragem simplesmente seleciona o valor de eξ(t)EuQ

 I(t)=ξ(t)cos(Ωt)Q(t)=ξ(t)sin(Ωt).
h
IF(t)=dtξ(t)cos(Ωt)h(tt)
QFh(t)=0t<0IFQF nos horários , e da mesma forma para . Seguindo a construção descrita acima para a parte digital da cadeia de processamento, temos Nosso problema, portanto, é calcular as estatísticas dessa expressão.{nδt}
In=dtξ(t)cos(Ωt)h(nδtt)
Qn
Z(ω)=1Nn=0N1dtξ(t)eiΩth(nδtt)eiωnδt.

Alterando variáveis produz Nesta etapa, podemos fazer uma verificação de integridade calculando o valor médio de . Lembre-se, esta é uma média de conjunto . Em outras palavras, estamos computando o valor médio de que encontraríamos convertendo muitas instâncias de ruído desmodulado em pontos de QI e depois calculando a média de todos esses pontos. De qualquer forma, o resultado é nδttt

Z(ω)=1Nn=0N1dtξ(nδtt)eiΩ(nδtt)h(t)eiωnδt.
Z(ω)Z(ω)
Z(ω)=1Nn=0N1dtξ(nδtt)0eiΩ(nδtt)h(t)eiωnδt=0.
Isso faz sentido, pois esperamos que o ruído não mude o valor médio do ponto de QI desmodulado, mas adicione apenas alguma aleatoriedade centrada no valor determinístico.

Como não sei calcular as estatísticas de diretamente, adotamos uma abordagem alternativa computando o quadrado médio de . Pelo teorema do limite central, as partes reais e imaginárias de devem ser pelo menos aproximadamente Guassianas distribuídas (e, como mostraremos, não correlacionadas), portanto, encontrar o módulo quadrado médio de realmente nos diz tudo o que precisamos saber.Z(ω)Z(ω)ZZ

Prosseguimos construindo diretamente e obtendo a média estatística (a média estatística é denotada por ). |Z(ω)|2

|Z(ω)|2=dtdt1N2n,m=0N1eiΩ(tt)h(t)h(t)ξ(nδtt)ξ(mδtt)ei(Ω+ω)(nm)δt.()
ξ(t)ξ(τ)ξ(0)Sξatravés da seguinte equação: Usando esta fórmula para produz
ξ(τ)ξ(0)=12dω2πSξ(ω)eEuωτ.
ξ(nδt-t)ξ(mδt-t)
|Z(ω)|2=12dtdtdω2π1N2n,m=0N1eiΩ(tt)h(t)h(t)Sξ(ω)eiω((nm)δt(tt))ei(Ω+ω)(nm)δt=12dω2π|h(ωΩ)|2Sξ(ω)|1Nn=0N1ei(Ω+ωω)nδt|2=12Ndω2π|h(ωΩ)|2Sξ(ω)1N(sin([Ω+ωω]δtN/2)sin([Ω+ωω]δt/2))2Nth order Fejer kernel=12Ndω2π|h(ωΩ)|2Sξ(ω)FN([Ω+ωω]δt/2)
onde é o kernel do Fejer da ordem . Alterando variáveis obtemos Até agora, os resultados foram exatos e precisos podem ser encontrados através da avaliação numérica das integrais. Agora, fazemos uma série de suposições relativamente fracas para chegar a uma fórmula prática. O kernel do Fejer tem peso concentrado próximo de . Portanto, integramos mais deFNNthΩωω
|Z(ω)|2=12Ndω2π|h(ω)|2Sξ(Ωω)FN([ω+ω]δt/2).
FN(x)x=0Sξsomente para frequências próximas a e, portanto, nesta integral, podemos aproximar como uma constante , dando Já podemos ver aqui que as estatísticas de ruído do ponto de QI desmodulado dependem apenas da densidade espectral de RF perto da frequência LO. Isso faz sentido; o misturador de QI foi projetado para levar o conteúdo do sinal perto da frequência LO e reduzi-lo a um IF mais baixo, onde pode ser processado. Os filtros anti-aliasing removem todos os componentes de frequência que estão muito longe do LO.ΩSξS(Ωω)Sξ(Ω)
|Z(ω)|2=12NSξ(Ω)dω2π|h(ω)|2FN([ω+ω]δt/2).

O primeiro nulo de ocorre em e a maior parte do peso está contida nos primeiros lobos. Os primeiros nulos estão, portanto, em Isto significa que a sobre integrante é dominado por frequências numa gama dada pela frequência de amostragem dividido por . Nas aplicações mais práticas, esse intervalo é tão pequeno que é aproximadamente constante nesse intervalo. Se for esse o caso, podemos substituir por (observe que ) encontrando FN(x)x=2π/N

ωnull2π=ω2π±1Nδt.
ωNh(ω)h(ω)h(ω)h(ω)=h(ω)
|Z(ω)|2=12NSξ(Ω)|h(ω)|2dω2πFN([ω+ω]δt/2N)1/δt=Sξ(Ω)2T|h(ω)|2
onde é o tempo total de medição.TNδt

A relação sinal-ruído

É razoavelmente bem sabido que, se uma variável aleatória tiver partes reais e imaginárias gaussianas e independentemente distribuídas e tiver módulo médio quadrado , então as distribuições das partes reais e imaginárias dessa variável terão desvio padrão . Portanto, considerando nosso resultado para , nossa observação de que as partes reais e imaginárias de são gaussianas distribuídas e o fato de não serem correlacionadas sabemos que os desvios padrão das distribuições das partes reais e imaginárias são ZRR/2[a]|Z(ω)|2Z[b]

σ=Sξ(Ω)|h(ω)|2/4T.
Como discutido no início, um sinal se torna no plano de QI. É claro que ignoramos o efeito do filtro, que é simplesmente escalar a amplitude para Suponha-se, como ilustrado na Figura 2, que está a utilizar o sistema de desmodulao IQ para distinguir entre dois ou mais sinais, cada um com uma fase diferente, mas com todas a mesma amplitude . Devido ao ruído, cada uma das amplitudes / fases possíveis leva a uma nuvem de pontos no plano QI com distância radial da origem. A distância entre os centros de duas nuvens éMcos([Ω+ω]t+ϕ)(M/2)eiϕ
Z(ω)=M|h(ω)|2eiϕ.
MM|h(ω)|/2g(M/2)|h(ω)|onde é um fator geométrico que depende das fases das nuvens. Se o ângulo do arco entre duas nuvens é e o centro de cada nuvem é equidistante da origem, então . Por exemplo, se as duas fases forem então . Geometricamente, isso ocorre porque a distância entre os centros das nuvens é duas vezes maior que a distância entre as nuvens e a origem.gθg=2sin(θ/2)±π/2g=2sin(π/2)=2

A relação sinal-ruído (SNR) é onde é a potência analógica de entrada. Observe que o SNR não depende de . Para lembrar este resultado, nota que a potência de ruído é a densidade espectral multiplicado por uma largura de banda . Tomando , vemos que nosso resultado diz apenas que o SNR no plano de QI é exatamente igual ao SNR analógico multiplicado pelo fator geométrico .

SNRseparation22×(cloud std deviation)2=(gM|h(ω)|/2)22Sξ(Ω)|h(ω)|2/4T=(gM)2T2Sξ(Ω)=g2PTSξ(Ω).
PM2/2hBB=1/Tg2

insira a descrição da imagem aqui

Figura 2: Duas nuvens de QI. A separação entre os centros das nuvens é proporcional à sua magnitude radial , mas escalada por um fator geométrico . Projetadas na linha que liga seus centros, cada nuvem se torna uma distribuição gaussiana com largura .MgSξ(Ω)|h(ω)|2/4T

[a] : procure a distribuição do quadrado chi .

[b] : Podemos ver que as partes reais e imaginárias de são de fato não correlacionadas, escrevendo o equivalente da equação mas para . Fazendo isso, descobriríamos que a soma que se transformou no kernel do Fejer no caso de chegaria a zero (pelo menos aproximadamente) porque seria aproximadamente a sobreposição de um seno e cosseno, que são ortogonais.Z()ZZ|Z|2

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