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
Eu( T )Q ( t )=ξ(t)cos(Ωt)=−ξ(t)sin(Ωt).
hIF(t)=∫∞−∞dt′ξ(t′)cos(Ωt′)h(t−t′)
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=∫∞−∞dt′ξ(t′)cos(Ωt′)h(nδt−t′)
QnZ(ω)=1N∑n=0N−1∫∞−∞dt′ξ(t′)e−iΩt′h(nδt−t′)e−iωnδt.
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
nδt−t′→t′
Z(ω)=1N∑n=0N−1∫∞−∞dt′ξ(nδt−t′)e−iΩ(nδt−t′)h(t′)e−iωnδt.
Z(ω)Z(ω)⟨Z( ω)⟩=1N∑n=0N-1∫∞-∞dt′⟨ξ( nδt−t′) ⟩0 0e- i Ω ( nδt -t′)h (t′)e−iωnδt=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⟩=∫∞−∞∫∞−∞dt′dt′′1N2∑n,m=0N−1eiΩ(t′−t′′)h(t′)h(t′′)⟨ξ(nδt−t′)ξ(mδt−t′′)⟩e−i(Ω+ω)(n−m)δt.(∗)
ξ(t)⟨ξ(τ)ξ(0)⟩Sξatravés da seguinte equação:
Usando esta fórmula para produz
⟨ξ(τ)ξ(0)⟩=12∫∞−∞dω2πSξ(ω)eiωτ.
⟨ξ( nδt -t′)ξ( mδt -t′ ′)⟨|Z(ω)|2⟩=12∫∞−∞∫∞−∞dt′dt′′∫∞−∞dω′2π1N2∑n,m=0N−1eiΩ(t′−t′′)h(t′)h(t′′)Sξ(ω′)eiω′((n−m)δt−(t′−t′′))e−i(Ω+ω)(n−m)δt=12∫∞−∞dω′2π|h(ω′−Ω)|2Sξ(ω′)∣∣∣∣1N∑n=0N−1e−i(Ω+ω−ω′)nδt∣∣∣∣2=12N∫∞−∞dω′2π|h(ω′−Ω)|2Sξ(ω′)1N(sin([Ω+ω−ω′]δtN/2)sin([Ω+ω−ω′]δt/2))2Nth order Fejer kernel=12N∫∞−∞dω′2π|h(ω′−Ω)|2Sξ(ω′)FN([Ω+ω−ω′]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 de
FNNthΩ−ω′→ω′⟨|Z(ω)|2⟩=12N∫∞−∞dω′2π|h(−ω′)|2Sξ(Ω−ω′)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(Ω−ω′)≈Sξ(Ω)⟨|Z(ω)|2⟩=12NSξ(Ω)∫∞−∞dω′2π|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
ω′null2π=−ω2π±1Nδt.
ω′Nh(ω)h(−ω′)h(ω)h(−ω)=h(ω)⟨|Z(ω)|2⟩=12NSξ(Ω)|h(ω)|2∫∞−∞dω′2πFN([ω′+ω]δt/2N)1/δt=Sξ(Ω)2T|h(ω)|2
onde é o tempo total de medição.
T≡Nδt
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)|2⟩Z[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 é
Mcos([Ω+ω]t+ϕ)(M/2)eiϕZ(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 .
SNR≡separation22×(cloud std deviation)2=(gM|h(ω)|/2)22Sξ(Ω)|h(ω)|2/4T=(gM)2T2Sξ(Ω)=g2PTSξ(Ω).
P≡M2/2hBB=1/Tg2
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(∗)⟨RZIZ⟩⟨|Z|2⟩