Записки программиста

Квадратурный демодулятор, или I/Q demodulator, находит применение в SDR приемниках и трансиверах, а также в приемниках прямого преобразования с аналоговым подавлением зеркального канала, как сделано в QCX. Давайте же разберемся, что это за демодулятор такой, и рассмотрим одну из возможных его реализаций.

Вот структурная схема квадратурного демодулятора:

ВЧ сигнал попадает на делитель, после чего идет на пару смесителей. Сигнал гетеродина (LO), поступающий на смесители, имеет одинаковую частоту и отличается только фазовым сдвигом. Выход I(t) называют синфазным сигналом, или in-phase, а Q(t) — квадратурным сигналом, или quadrature. В чем состоит практическая польза такой схемы, будет показано далее.

Если изменить направление сигналов (вход справа, выход слева), получим квадратурный модулятор, или I/Q modulator. Иногда встречается термин квадратурный смеситель, или I/Q mixer, когда не уточняется, используется ли схема в роли модулятора или демодулятора. Модуляцию в рамках этой статьи мы рассматривать не будем. По этой теме могу порекомендовать видео IQ Modulator Basics: Operation, Measurements, Impairments, снятое Alan Wolke, W2AEW. Помимо прочего, из видео вы узнаете, как получить BPSK и QPSK сигналы.

На практике квадратурный демодулятор часто реализуют на основе шинных переключателей 74HC4053, FST3253 и подобных. Одна из возможных схем выглядит так (файл PDF):

Трансформатор T1 здесь выступает в роли простого делителя. Выходы X и Y переключаются между землей и сигналом ВЧ (RF). Это эквивалентно умножению на 0 и 1, или меандр, частота которого задается гетеродином (LO). Дальше сигнал проходит через диплексеры и RC-фильтры.

Как результат, на выходах IF_I и IF_Q остается только НЧ сигнал:

В роли гетеродина был использован самодельный генератор сигналов на Si5351. Он позволяет генерировать сигналы с фазовым сдвигом 90°. Частота гетеродина фиксированная — 7.100 МГц.

На первой осциллограмме принимается сигнал с частотой 7.101 МГц, а на второй осциллограмме — 7.099 МГц. Обратите внимание на фазы синфазного (желтый) и квадратурного (синий) сигналов. В первом случае синфазный сигнал опережает квадратурный на 90°, а во втором — отстает на 90°. Другими словами, по паре сигналов I и Q мы можем определить, находится ли принимаемый сигнал выше частоты гетеродина или ниже.

Важно! В этом заключается принципиальное отличие от приемника прямого преобразования. Обычный ППП не может определить, принимает ли он сигнал выше или ниже частоты гетеродина. Поэтому устранить прием зеркального канала не представляется возможным.

Оказывается, что этой информации достаточно, например, чтобы подавить верхнюю боковую полосу и принять только нижнюю. В SDR-приемниках это осуществляется при помощи цифровой обработки сигналов (DSP). В трансивере QCX качественно та же математика реализована «в железе» на операционных усилителях. Помимо CW и SSB могут быть приняты и более сложные сигналы, например, ЧМ или QAM. Конкретные схемы и алгоритмы заслуживают отдельных постов.

Приведенный демодулятор имеет некоторые недостатки, ну или особенности, это уже как посмотреть. Во-первых, входной импеданс на порту RF составляет 125-150 Ом на КВ, в зависимости от частоты. Если стоит задача получить ~50 Ом, придется подобрать другое число витков на первичной обмотке T1. Во-вторых, выходы IF_I и IF_Q не тянут низкоомную нагрузку. В-третьих, имеются вносимые потери. При подаче 1 Vpp (High-Z) на порт RF на портах IF_I и IF_Q получаем по 0.25 Vpp.

Из хорошего — схема демонстрирует стабильную работу на частотах до 100 МГц. Это максимальная частота, которую мой драйвер Si5351 может генерировать с фазовым сдвигом 90°. Судя по даташиту [PDF] на 74HC4053, в пределе демодулятор должен работать на частотах где-то до 200 МГц. Ищите параметр F_max, «Minimum Switch Frequency Response at -3dB».

Рассмотренный материал важен для понимания теории. Но в современных устройствах часто применяется другая схема — детектор Тейло. С ним мы познакомимся в другой раз.

Дополнение: В продолжение темы вас могут заинтересовать посты Сдвиг фазы аудио-сигнала на 90° при помощи ОУ, Шпаргалка по математике, связанной с I/Q-сигналами и далее по ссылкам.

Метки: SDR, Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.