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Procedura In fase e Quadratura (I&Q)

real and imagine quantities real and imagine quantities

Figura 1: Grandezze reali e immaginarie

Procedura In fase e Quadratura (I&Q)

Se la frequenza IF con un veloce ma semplice convertitore A/D è già digitalizzata, allora ho un valore digitale di ampiezza per ogni cella di intervallo. Questo rappresenta la parte reale del segnale eco complesso, ma dove rimane L’informazione di fase? Sì, con il metodo semplice, L’informazione di fase è persa!

Rivelatore sincrono

Una grandezza complessa è sempre composta da una parte reale (verde chiaro) e da una parte immaginaria (blu chiaro). Tuttavia, un convertitore analogico-digitale prende sempre in considerazione solo la parte reale che si trova sulL’asse X.

Questo non è un problema per i radar più vecchi. Il blip è composto da un minimo di 12-15 impulsi. Se uno o due impulsi hanno un’ampiezza reale pari a zero (per il massimo dello sfasamento), il segnale sarà visibile in entrambi i sensi. Ma i radar più recenti utilizzano solitamente la cosiddetta tecnologia Monopulse. Tutti i dati sono il risultato di un solo impulso trasmesso. Quindi abbiamo bisogno anche dei dati di immagine!

Il rivelatore sincrono fornisce una rappresentazione del segnale IF, comprese fase e ampiezza, senza perdita di informazioni. I segnali in banda base in fase (I) e in quadratura (Q) vengono digitalizzati con una coppia di convertitori A/D. Il rivelatore sincrono viene anche chiamato ricevitore di canali in quadratura, rivelatore di quadratura, demodulatore I/Q o rivelatore coerente.

Se si ruota L’intera costruzione di 90° …

 … allora la parte immaginaria precedente si trova esattamente sulL’asse X e può essere scansionata, ma la parte reale precedente è ormai caduta!

Ma la quantità del vettore originale può essere calcolata di nuovo con L’aiuto del teorema di Pitagora da questi due risultati.

E come si fa ora a ruotare L’intera costruzione di 90°?

(in fase)
(quadratura)
A
A
D
D
I-Data
Q-data
fsegnale
fosc

Figura 2: Schema a blocchi del rivelatore sincrono

(in fase)
(quadratura)
A
A
D
D
I-Data
Q-data
fsegnale
fosc

Figura 2: Schema a blocchi del rivelatore sincrono

I+Q_phase_detector.pdf
(clicca per ingrandire: PDF 115 kByte)

Figura 3: un esempio concreto (documentazione)

Ah, è abbastanza semplice: la fase del segnale deve essere spostata di 90°. Entrambe le parti analogiche del segnale devono essere digitalizzate. Ora, ho solo il doppio delle linee di dati, ma L’elaborazione del segnale controllata dal processore digitale mi offre molte più possibilità.

I dati digitali risultanti possono essere elaborati con un’ampia varietà di algoritmi di elaborazione del segnale digitale (i filtri digitali hanno, ad esempio, bordi molto più ripidi rispetto alle costruzioni analogiche …
… grazie alla conversione molto precoce in segnali digitali, nessun rumore può distorcere i miei dati nel modo seguente … e così via)

Le componenti I e Q sono correlate come

I = A cos(ϕ)
Q = A sin(ϕ)
(1)

Da questo, la grandezza del segnale A e lo sfasamento ϕ possono essere calcolati come

A2= I2+Q2  
ϕ=arctan(Q/I)
(2)

Figura 3: Segnale in fase (ciano) e segnale in quadratura (magenta)

Perché la valutazione Q&I?

I dispositivi front-end radar che utilizzano la conversione diretta verso il basso offrono quasi sempre entrambe le uscite. Ora, ci si potrebbe chiedere: se non si ha bisogno delL’informazione di fase, sarebbe sufficiente valutare solo un’uscita.

Sì, questo potrebbe portare prima a un risultato, ma in modo molto inefficiente. Guardate di nuovo la Figura 1: il puntatore rosso ruota abbastanza velocemente, a seconda della frequenza Doppler. Ma è possibile misurare solo la dimensione del puntatore verde. Solo se il puntatore rosso punta nella stessa direzione di quello verde, si ottiene un segnale di uscita efficace. Con frequenze Doppler inferiori o addirittura con bersagli fissi, la posizione di fase cambia lentamente o non cambia affatto. In questo caso, il puntatore rosso può rimanere nella posizione perpendicolare al puntatore verde e il radar non può emettere un segnale di uscita. Questo può accadere anche a frequenze Doppler più elevate, perché quando si utilizza una frequenza di campionamento con una frequenza molto specifica per la frequenza Doppler, si verifica una sorta di effetto stroboscopico.

NelL’elaborazione digitale, L’orologio con cui opera il convertitore analogico/digitale è sempre asincrono rispetto alla frequenza da misurare. Questo può causare un battimento, cioè a volte c’è un segnale di uscita molto forte e a volte non c’è affatto! Entrambi gli stati si alternano periodicamente.

Pertanto, solo se vengono valutati entrambi i canali, è possibile calcolare la dimensione del puntatore rosso dai due segnali misurati, indipendentemente dalla direzione in cui punta.