Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

5
mixed   signal  Fundamentals of cy) throughout this text. Typically,  c is much high- denoted  by the symbol   f  c (or  ω for  radian frequen- g a  ua r a ure Modulation er in frequency than the highest frequency compo- nent of the message signal.  The Basics T he  concept of modulation comes from th e trigonometric  identity:  ow a f  ormerly analog-onl  y application,  the quadrature modulator  , is   finding a home in modern digital  CMOS   fabrication tec hniques  By Ken Gentile  he concept of modulation is not at all new, it has  been around since the early days of radio. Modulation,  especially in th e context of RF applications,  refers to the mixing of two sinusoidal signals. One  signal is the message signal and con- tains the information to  be modulated.  It usually consists of a  band-limited  spectrum of sinusoids (such  as music).  The  other  signal is the carrier  sig- nal and is generally a  pure tone (a sinusoid of a single frequency). The  frequency of the carrier  is referred to as the carrier  frequency and will be If we assume that the message signal is a pure tone of frequency,   f  m , then the message can  be mathematically  represented as cos(2 π   f  m t).  Th e same assumption can  be made about the carrier signal, thereby expressing it  as cos(2π   f  c t).  Th e “pure tone” assumption makes the mathematics much more tractable.  However, it is important  to keep in mind that the message signal is rarely a  pure tone. Typically, it is composed of time variations in amplitude,  frequency,   phase, or  any combinatio thereof.  Even the carrier  need not necessarily  be a  pure sinusoid.  Applications  exist in which the carri- er  signal is a square wave with a fundamental  fre- quency,   f  c . Th e harmonics of   f  c inherent in the square wave are dealt with  by filtering the modu- lated signal. Th e mixing  process mentioned earlier  can  be thought of as a multiplication  operation. Therefore, the trigonometric identity above ma  be employed to represent  the mixing  process  as follows: Figure 1. Func tional repres entatio n o a s ingle and doubl e side- band modulator and associated frequency spectra Thus, the mixing of the message and carrier results in a transformation of the frequency of the message.  The  message frequency  is translated from its original frequency  to two new frequencies  one greater  than the carrier (   f  c +   f  m ), and one less tha the carrier (   f  c      f  m ), the upper  and lower  side  bands, respectively. Furthermore, the translated signal undergoes a 6 dB loss (50  percent reduction)  as dic- tated  by the factor of ½ appearing on the right- hand side of the equality.  T he form of modulation  just described i s referred to  as  “double sideband modulation,”  because the message is translated  to a frequency range above and   below th e carrier  frequency. Another  form of modulation,  known  as single side-  band modulation,  can  be used to eliminate either the upper  or  lower  sideband.  One  method of  per- forming single sideband modulation  is to employ a 40 www.rfdesign.com February 2003  

Transcript of Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

Page 1: Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

8/4/2019 Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

http://slidepdf.com/reader/full/fundamentals-of-digital-quadrature-modulation 1/5

mixed   signal  Fundamentals of  cy) throughout this text. Typically,  c  is much high-

denoted  by the symbol   f  c  (or  ω  for  radian frequen-

g a   ua ra ureModulation

er in frequency than the highest frequency compo-nent of the message signal. 

The Basics The   concept of  modulation  comes  from  thetrigonometric identity: 

ow a f  ormerly analog-onl  yapplication, the quadrature

modulator  , is   finding a homein modern digital  CMOS   fabrication techniques

 

By Ken Gentile 

he concept of modulation  is not at all new,  ithas  been around since the early days of radio. 

Modulation,  especially  in  the  context of  RFapplications, refers to the mixing of two sinusoidalsignals. One signal is  the message signal and con-tains  the  information  to  be modulated.  It  usuallyconsists of a  band-limited  spectrum of  sinusoids(such as music). The other  signal is the carrier  sig-nal  and  is generally  a  pure  tone  (a  sinusoid of asingle  frequency).  The  frequency of  the  carrier   isreferred  to  as  the  carrier   frequency and will be

If we assume that the message signal is a puretone of  frequency,   f  m,  then  the  message  can  bemathematically  represented  as  cos(2π  f  mt).  Thesame  assumption  can  be  made  about  the  carrier signal,  thereby  expressing  it  as  cos(2π  f  ct).  The“pure  tone”  assumption  makes  the  mathematicsmuch more  tractable. However,  it  is  important  to

keep  in mind  that  the message  signal  is  rarely  a pure tone. Typically,  it  is  composed of  time variations  in

amplitude,  frequency,  phase,  or   any  combinatiothereof. Even  the carrier  need not necessarily  be a pure sinusoid. Applications exist in which the carri-er  signal is a square wave with a fundamental fre-quency,   f  c.  The  harmonics of   f  c  inherent  in  thesquare wave are dealt with  by  filtering  the modu-lated signal. 

The  mixing  process mentioned  earlier   can  bethought of  as  a  multiplication  operation.Therefore,  the  trigonometric  identity  above  ma

 be  employed  to  represent  the  mixing  process  asfollows:

Figure 1. Functional representation o a single and double side-band modulator and associated frequency spectra 

Thus, the mixing of  the message and carrier results  in a  transformation of the  frequency of themessage. The message frequency is translated fromits original frequency to two new frequencies — onegreater  than the carrier (  f  c  +   f  m), and one less thathe carrier (  f  c  –    f  m), the upper  and lower  side  bands,respectively.  Furthermore,  the  translated  signal

undergoes a 6 dB loss (50  percent reduction) as dic-tated  by  the  factor of  ½  appearing  on  the  right-hand side of the equality. 

The  form of  modulation  just  descr ibed  is referred  to   as  “double  sideband  modulation,”

 because  the message  is  translated   to a  frequencyrange  above  and   below  the  carrier   frequency.Another  form of modulation, known as single side- band modulation, can  be used  to eliminate either the upper   or   lower   sideband. One method of  per-forming single sideband modulation is to employ a

40  www.rfdesign.com February 2003

Page 2: Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

8/4/2019 Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

http://slidepdf.com/reader/full/fundamentals-of-digital-quadrature-modulation 2/5

Figure 2. A continuous time representation o a sinusoid 

 bits carry the magnitude  information.Two’s-complement   numbers,  in  whichthe  MSB  is  0,  are  positive  numbers,while  those  for  which  the MSB  is 1 arenegative numbers. When  the MSB  is 0

(positive numbers)  the  non-MSB  bitsquadrature modulator. A quadrature modulator  mixes the message with twocarriers. Both  carriers operate at  thesame  frequency,  but  are  shifted  inphase  by  90  degrees  relative  to   on eanother  (hence the “quadrature” term).This  simply means  that  the  two carri-ers  can  be  expressed  as  cos(2π  f  ct)  andsin(2π  f  ct).  The message,  too,  is modi-fied  to consist of  two separate  signals:the   original  and  a  90  degree  phase-shifted  version of  the  original.  Th eoriginal  is mixed with  the cosine  com-ponent of  the  carrier   and  the  phase-

shifted  version  is mixed with  the  sinecomponent of  the  carrier.  These  twomodifications  result  in  the  implemen-tation of  the  single  sideband  function.Trigonometrically,   this  ca n   beexpressed as: 

⎣⎡cos ( x)cos ( y)⎦⎤ + ⎡⎣sin ( x)sin ( y)⎤⎦ 

values — 0 or  1. Bits may be concate-nated  to  form  larger  numbers  just  likedecimal  digits.  For   example,  a  singledigit in the decimal system can take onvalues from 0 to 9,  but the number  148uses three digits  to represent the sum:8(100) + 4(101) + 1(102) = 8 + 40 + 100 =148.  Each  digit  carries  an  increasing

 power  of  10  weighting   starting  withthe  rightmost  digit  (ones,  tens,  hun-dreds...).   Similarly,  binary  numbersare made up of  bits carrying a  power otwo  weighting  starting  with  the  right-most  bit.  For   example,  10010100  =

0(20

) +  0(21

) +  1(22

) +  0(23

) +  1(24

) +0(25) + 0(26) + 1(27) = 0 + 0 + 4 + 0 + 16+ 0 + 0 + 128 = 148. 

The  benefit of  binary  number   repre-sentation  is  not  readily  apparent.  For 

instance,  binary  numbers  can  becomevery  cumbersome  to   work   with.Consider   the  number   1  million.  It  ca

 be   expressed with 7 decimal digits,

are taken as an ordinary  binary num- ber. For  example, the two’s-complementnumber  0101  is +5  in decimal notation.When the MSB is 1 (negative numbers)the non-MSB  bits are first inverted (i.e.,0s  become 1s and vice versa) and then 1is added  to the result. For  example, thetwo’s-complement number  1101 is  –3 indecimal  notation. The MSB  indicates  anegative value, while the remaining  bits(101) are  inverted  to yield 010, or  2  indecimal. Then 1 is added to the result tomake 3. So, the end result is  –3 as indi-cated  by  the  MSB.  Although  this  may

seem  complicated  it  is  readily  imple-mented in hardware using fundamentaldigital  building  blocks. 

It  should  be  noted  that  the  digitalimplementation of  an  analog  functionrequires  a  certain  amount of  compro-mise. For   instance, an  analog  signal  isnot  a  numeric quantity,  but  a  physicalquantity. A digital  signal, on the other 

⎡ 1 1  ⎤= cos ( x +  )+ cos ( x −  )  whereas 20 binary digits are required; hand, is a numeric quantity and serves

⎣⎢ 2 

⎡ 1 

⎦⎥

⎤ 

not very efficient in terms of notation.However,  the  real  beauty of  binary

only to model an analog signal.Digital systems rely on a compromise

+ cos ( x −  y)− cos ( x +  y)  numbers comes from the fact that each between absolute numeric accuracy and⎣⎢ 2  2  ⎦⎥ digit can  take on only two values. This

is  readily  modeled  by  the  state of  asufficient numeric accuracy. For exam-

 ple,  the  number of  amplitude  values

Note  that  the  right-hand  side of  the  equation reduces to cos( x  –   y), the lower sideband, only. In the above equation,  x is  the  carrier   and  y  is  the  message.Incidentally,  changing  the  sign of  theoperator   on  the  left-hand  side of  theequation results  in only  the upper  side-band appearing on the right hand side. 

In figure 1 the functional representa-tion of  a  single  and  double  sidebanmodulator   are  shown  along with  theassociated  frequency  spectra. However,the message is shown as a  band-limitespectrum  rather   than  a  pure  tone,which  better   represents  a  real-worlapplication. Each constituent frequenc

in  the message  is  translated  to one or both sides of the carrier, as shown. 

Digital Number Representation In  addition  to  an  understanding of 

modulation  basics,  it  is  also  helpful  tohave  at  least  an  elementary  under-standing of  numeric  representation  aemployed  in  the  digital  world.  Thebasic  building  block of digital numericis  the  bit, which can only  take on  two 

switch (on or off), which can be electron-ically  implemented with a  single  tran-sistor. Transistors, in turn, can  be  phys-ically  realized  by  the millions on a sin-gle silicon chip. The ability to  place mil-lions of  binary switches on a single chipis what gives digital its advantage.Returning  to  the concept of modula-tion, it was  pointed out that modulationis  applied  in  the  context of  sinusoids.Since  a  sinusoid  is  represented  by  atrigonometric  function,  it  can  take on

 positive or  negative values. So, digitalmodulation will  require  the  ability  torepresent negative  binary values. Froma notation  point of view  this  is utterly

simple —  place a negative  sign  to  theleft of  the  leftmost  bit. However,  fromthe  point of view of  a  physical  imple-mentation a negative sign does not exist.To  tackle  the negative number   prob-lem,  the  concept of  twos-complement binary representation was developed. Inthis system, the leftmost  bit carries the

 positive/negative  information. The  left-most  bit is often referred to as the mostsignificant bit or  MSB. The remaining

that constitute an analog sinusoidal sig-nal  is  infinite. That  is, we can  think oan analog sinusoid as  being made up oinfinitely  small  steps  in amplitude.  If we  elect  to make  the  steps  larger, wesacrifice  accuracy  fo r   the  luxury of requiring fewer  numbers with which  torepresent the  purely analog waveform. 

In  effect, we can  trade an  absolutely pure analog sinusoid for  one made up of small (but  finite) steps  plus  some noise(the deviation  between  each  step  andthe  ideal  analog  equivalent).  The   stepsize  is directly  related  to digital  resolu-tion.  Resolution  is  the  number  of  bitsused  to   represent  the  full  range of 

amplitude of  an   analog  signal.  For example,  a  10-bit  binary  number   carepresent an analog signal to an accura-cy of 1  part  in  210,  or   1/1024  (approxi-mately 0.1  percent). 

Sampled Digital Signals Digital modulation  is wholly depen-

dent  on  the  fundamental  concepts of sampling  theory.  The  subject of  sam-

 pling is far  too  broad to  be covered here,

42  www.rfdesign.com February 2003

Page 3: Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

8/4/2019 Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

http://slidepdf.com/reader/full/fundamentals-of-digital-quadrature-modulation 3/5

Figure 3. A numerically controlled oscillator  

but  a  brief   overview  is  given  for   the  

sake of clarity. Since  the  topic  is modulation, we will

use a sinusoidal signal as a model. A con-tinuous time representation of a sinusoiis shown graphically in figure 2a. At aninstant,  “t ,”  on  the horizontal  axis,  theamplitude of the sinusoid may  be  founon the vertical axis. A uniformly  sampleversion of the sinusoid is shown in figure 2b .  Note  that  the  amplitude  is  onlyknown at certain discrete  points in time (the sampling  instants), which are uni-formly distributed in time. Sampling the-ory states  that as  long as at  least  twosampling  instants occur  within a  com-

plete cycle of the sampled sinusoid, thenthe  sinusoid can  be completely  recon-structed from the two sample  points.

What makes  sampling attractive  isthat the amplitude of the sample values can  be  encoded  as  twos-complement binary numbers. So,  from a digital  per-spective,  if  we  can generate  a  proper sequence of numeric values, we can gen-erate a digital sinusoid. But why woulwe want to generate a digital sinusoid ithe  first  place? Recall  that modulatio

requires a carrier  signal; i.e., a sinusoid.In the analog world this is implementewith an oscillator   circuit  that operateat the specified frequency. In the digitaworld,  some  form of a digital oscillatomust  be  realized. It  turns out  that  thican  be   readily  accomplished  with  anumerically controlled oscillator. 

Numerically Controlled Oscillator  

In  its simplest  form, a  NCO consists of a lookup table made up of sinusoidalsample values, (usually implemented aa  read only memory  –  ROM), a  binar counter   for  addressing the ROM, and clock  signal to drive the counter  (see fig-ure 3). Successive address  locations  ithe ROM contain the successive sample

values of  the desired  sinusoid. As  thecounter   is  clocked,  each  ne w  count

addresses  the next ROM  location caus-ing   the appropriate digital number   toappear  at the ROM output. The rate atwhich the counter  is clocked is the sam-

 ple  rate of  the  system.  If  we  examinethe output of  the ROM  over   time, wewould observe a series of numbers thaupdate at  the  sample  rate. The  num- bers would span a numeric  range  tha

depends  on the bit-width of  the ROM

output. Thus, the number of  bits  in  theROM's output word determines the res-olution of  the  desired  digital  sinusoid.As an example, if  the ROM output were10  bits,  then  using  twos-complementrepresentation  would  yield  a  numericrange of  –512 to +511 for  the amplitudevalues of our  sampled sinusoid. 

The  particular   NCO  example  justdescribed would only  be capable of gen-erating a digital sinusoid of one specificfrequency;  namely,  the  sample  ratedivided  by   the  number  of  samplesstored  in  the ROM  (assuming  that  thesamples  stored  in  ROM  span  a  single

cycle of  the  sinusoid). A more  flexible NCO  would  use  a  fairly  large  ROM(perhaps  containing  4,096  samples,  or more) and  a  counter   that  can  count  bysome input modulus; that is, count  by 1,2,  3, 4, 5,  etc. as determined  by a  “fre-quency control number”. For  example, if the sample rate is 10 MHz, the ROM is4,096 words in length, and the frequen-cy control number   is 1,  then  the outputsinusoid would have a  frequency of: 10MHz/4096 or  2.44 kHz. If  the frequenccontrol  number   is  5,  then  the  counter umps 5 steps  for  each  input clock   peri-

od. This,  in  turn, causes every 5th  ROMaddress to  be accessed. The net result ia sinusoid with coarser  amplitude steps,

 but of  greater   frequency.  Specifically,the frequency of the new sinusoid woul

 be:  10  MHz/(4096/5)  or   12.21  kHz.  Igeneral,  this  can  be  expressed  as :

s( N /M ) where   f  s  is  the  system  sample

rate,  N  is the frequency control number,and M  is the length of the ROM. 

Many variations on this theme can  befound  in  the  literature. The main  pointis that a  NCO serves as a means for  gen-erating  a digital  sinusoid  at  a  specificsample rate  but with  programmable fre-quency.  The  frequency  is  restricted,however,  to  an  integer  multiple of  the

sample  rate  divided  by  the ROM  wor length  up  to  a maximum of  ½ of  thesample  rate  (the  Nyquist  constraint).The  larger   the  ROM   length  (addressrange),  the  finer   the  frequency  resolu-tion. The more  bits  in  the ROM outputword, the finer  the amplitude resolution. 

The Digital Quadrature Modulator  The  foregoing  sections   provided  a

foundation  for  understanding modula-

Figure 4. The digital quadrature modulator  tion,  number   representation  in  thedigital domain, and a method  for  gen-erating  a  sampled  sinusoid.  Thesethree concepts are  required  for  a  firmunderstanding of  digital modulation.The   fundamental  building  blocks of  adigital  quadrature  modulator   areessentially  the  same  as  those  for   theanalog  single-sideband  modulatoshown in figure 1b. 

The digital version is shown in figure4 —  the main difference  being  that  thetwo multipliers, the adder, and the car-

rier  signals are all made of digital  build-ing  blocks. The model  shown  in  figure 4  can  be

readily implemented using digital hard-ware. The digital makeup of the  NCOswas discussed earlier. Multipliers anadders,  too, are  readily designed   fromelemental digital  building  blocks (AND,OR  and  NOT units). The only real con-straints  are  the  maximum  possiblesampling  frequency  (which  is  mostldependent  on  th e  semiconductor 

 process) and  power  dissipation. There  is  one  fundamental  rule  that

cannot  be overlooked  in digital modula-tion. Both  the digital carrier  signal andthe digital message signal must  be sam-

 pled at  the  same  rate.  In  some  instan-ces, the message signal consists of a dig-ital  signal  sampled at  a  rate  less  thathe carrier. Such situations require thatthe message signal  be digitally up-sam-

 pled  to match  the  carrier   sample  rate.However,  this  is another   topic altogeth-er   and  is well  beyond  the  scope of  thisarticle.  Sample  rate  conversion  tech-niques  are  rigorously  covered  in  theexisting literature. 

Returning  to   figure  4,  the  digitalquadrature  modulator   has   two  mes-sage  signal  inputs:  X   and Y .  In  addi-

tion,  two  NCOs  produce  the  quadra-ture carrier   signals. The  same  systemclock   and  frequency  control  number are  provided  to  both  NCOs. However,one  NCO has  a  cosine wave  stored  inits  ROM   while  the  other   NCO  has   asine wave stored  in  its ROM. The car-rier  frequency (  f  c) is determined  by thefrequency control number. 

Typically,  the  X   and Y   input  signalsare intended  to  be quadrature compo-

44  www.rfdesign.com February 2003

Page 4: Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

8/4/2019 Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

http://slidepdf.com/reader/full/fundamentals-of-digital-quadrature-modulation 4/5

46  www.rfdesign.com February 2003

Page 5: Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

8/4/2019 Fundamentals of Digital Quadrature Modulation

http://slidepdf.com/reader/full/fundamentals-of-digital-quadrature-modulation 5/5

nents. For  example,  if   X  were a digital cosine wave of frequency   f  m, and Y  werea digital sine wave of the same frequen-cy,  then  the  output of  the  quadraturemodulator   would  be  a  single-sideband

tone of  frequency   f  c  –    f  m. The Appendixcontains  a  Mathcad  program  that  pre-cisely  models  this  scenario.  For   other scenarios,  simple  modifications  can  bemade  to  the  program. For   example,  aupper   sideband  can  be  generated  bysimply changing the sign of the operator from +  to  –   in  the right-hand  portion othe “QuadModi” statement. 

If  a double-sideband  signal  is desiresimply replace Y in(i) in the right-hand  por-tion of  the  “QuadModi”  statement wit

in(i). The  NCO ROM  parameters,  N  anD, can also  be changed to see the effects oboth  frequency and amplitude  resolution.

The system sample  rate  (Fs) and carrier frequency (Fcarrier) can  both  be changed,as well.  Note, however,  that  the actualcarrier   frequency  (Fc) may  not  exactlmatch the value entered for  Fcarrier. Thiis due  to  the fact that the  frequency con-trol number   (FCN) for   the  NCO must  bean  integer  value  because  it  controls  themodulus  fo r   a  binary  counter.  This

restriction means that only finite frequen-cy resolution is  possible.  Specifically, onlthose  frequencies  that correspond   to  theFCN values are  possible. 

About the author Ken  Gentile  graduated with  honors  from  North Carolina  State University

where he  received a B.S.E.E. degree  in 1996. Currently, he  is a  system designengineer  at Analog Devices Inc. (www.analog.com) where he is responsible for the system level design and analysis of signal synthesis  products. His specialtiesare  the  application of digital  signal  processing  techniques  in  communicationssystems  and  analog  filter   design.  Ken  has  been  published  in  several  industrytrade  journals and was  a  primary  contributing  author   to ADI's  "A Technical

Tutorial  on  Digital  Signal  Synthesis".  Gentile  ca n   be  reached  at [email protected]

The Results This  article  has  demonstrated  the  

key elements of digital quadrature mod-ulation. The high speeds available  fromtoday's semiconductor   processes make itever  more  practical to implement modu-lation  functions  in  digital  rather   thananalog technologies. 

This trend will likely continue as digi-tal   semiconductor   technology  pushesoperating  speeds ever  higher.  It shoulbe kept  in mind  that  the end  result oimplementing  analog  functions  in  thedigital domain is a time sequence of digi-tal numbers, a natural consequence othe  sampling  process.  However,  thisnumber  stream must ultimately  be con-

verted  to an  analog waveform  to  be oany  practical use. Thus, a digital-to-ana-log converter   (DAC) must  be employeto  transform  the digital  signal  into  theanalog domain. As such,  there  is still asignificant  role  for   analog  circuitry,especially  DACs. As  both  sample  rateand  resolution  increase,  the  require-ment  for   high  speed, high  resolutionDACs  becomes ever  more apparent. 

RF Design  www.rfdesign.com 47