Jak demodulovat modulaci digitální fáze

Radiofrekvenční demodulace
Naučte se, jak extrahovat původní digitální data z vlnového průběhu s fázovým posunem.

Na předchozích dvou stránkách jsme diskutovali systémy pro provádění demodulace signálů AM a FM, které přenášejí analogová data, jako je (nedigitalizovaný) zvuk. Nyní jsme připraveni se podívat, jak obnovit původní informace, které byly zakódovány pomocí třetího obecného typu modulace, konkrétně fázové modulace.

Analogová fázová modulace však není běžná, zatímco digitální fázová modulace je velmi častá. Proto má větší smysl prozkoumat demodulaci PM v kontextu digitální RF komunikace. Prozkoumáme toto téma pomocí klíčování pomocí binárního fázového posunu (BPSK); je však dobré si uvědomit, že klíčování kvadraturním fázovým posunem (QPSK) je pro moderní bezdrátové systémy důležitější.

Jak název napovídá, binární fázový posun představuje digitální data přiřazením jedné fáze k binární 0 a jiné fáze k binární 1. Dvě fáze jsou odděleny o 180 °, aby se optimalizovala přesnost demodulace - větší oddělení mezi dvěma hodnotami fází usnadňuje dekódovat symboly.

Násobit a integrovat - a synchronizovat
Demodulátor BPSK sestává především ze dvou funkčních bloků: multiplikátoru a integrátoru. Tyto dvě složky vytvoří signál, který odpovídá původním binárním datům. Je však také zapotřebí synchronizačních obvodů, protože přijímač musí být schopen identifikovat hranici mezi bitovými periodami. Toto je důležitý rozdíl mezi analogovou demodulací a digitální demodulací, takže se podívejme blíže.

 

Při analogové demodulaci nemá signál ve skutečnosti začátek ani konec. Představte si FM vysílač, který vysílá zvukový signál, tj. Signál, který se průběžně mění podle hudby. Nyní si představte FM přijímač, který je původně vypnutý. 

Uživatel může přijímač zapnout kdykoli a demodulační obvody začnou extrahovat zvukový signál z modulované nosné. Extrahovaný signál může být zesílen a odeslán do reproduktoru a hudba bude znít normálně. 

Přijímač nemá ponětí, zda zvukový signál představuje začátek nebo konec skladby, nebo pokud demodulační obvody začínají fungovat na začátku opatření, nebo přímo na rytmu nebo mezi dvěma údery. Nezáleží na tom; každá okamžitá hodnota napětí odpovídá jednomu přesnému okamžiku ve zvukovém signálu a zvuk se znovu vytvoří, když se všechny tyto okamžité hodnoty objeví postupně.

S digitální modulací je situace úplně jiná. Nejednáme se o okamžité amplitudy, ale o sekvenci amplitud, která představuje jednu diskrétní informaci, konkrétně číslo (jedna nebo nula). 

Každá sekvence amplitud - nazývaná symbolem, s dobou trvání rovnou jedné bitové periodě - musí být odlišena od předchozí a následující sekvence: Pokud provozovatel vysílání (z výše uvedeného příkladu) používal digitální modulaci a přijímač se zapínal a začal demodulovat na náhodný okamžik, co by se stalo? 

Pokud by se příjemce náhodně začal demodulovat uprostřed symbolu, pokusil by se interpretovat polovinu jednoho symbolu a polovinu následujícího symbolu. To by samozřejmě vedlo k chybám; symbol logika-jeden následovaný symbolem logika-nula by měl stejnou šanci, že bude interpretován jako jeden nebo nula.

Je tedy zřejmé, že synchronizace musí být v každém digitálním vysokofrekvenčním systému prioritou. Jedním přímým přístupem k synchronizaci je předcházet každému paketu předdefinovanou „tréninkovou sekvencí“ skládající se ze střídavých nulových symbolů a jednoho symbolu (jako ve výše uvedeném diagramu). Přijímač může použít tyto přechody jedna-nula-jedna-nula k identifikaci časové hranice mezi symboly, a pak mohou být zbytky symbolů v paketu interpretovány správně jednoduše použitím předdefinované doby trvání symbolu v systému.

Účinek multiplikace
Jak je uvedeno výše, základním krokem v demodulaci PSK je množení. Přesněji řečeno, vynásobíme příchozí signál BPSK referenčním signálem s frekvencí rovnou nosné frekvenci. Co to dosahuje? Pojďme se podívat na matematiku; nejprve produkt identifikuje dvě sinusové funkce:

 

Pokud proměníme tyto obecné sinusové funkce na signály s frekvencí a fází, máme následující:

Zjednodušující, máme:

Takže když vynásobíme dva sinusoidy se stejnou frekvencí, ale rozdílnou fází, výsledkem je sinusoid dvojnásobné frekvence plus offset, který závisí na rozdílu mezi těmito dvěma fázemi. 

Posun je klíč: Pokud je fáze přijímaného signálu rovna fázi referenčního signálu, máme cos (0 °), což se rovná 1. Pokud je fáze přijímaného signálu 180 ° odlišná od fáze referenční signál, máme cos (180 °), což je –1. Výstup multiplikátoru tak bude mít kladný DC offset pro jednu z binárních hodnot a záporný DC offset pro druhou binární hodnotu. Tento posun lze použít k interpretaci každého symbolu jako nula nebo jako jeden.

Potvrzení simulace
Následující obvod modulace a demodulace BPSK ukazuje, jak můžete vytvořit signál BPSK v LTspice:

Dva sinusové zdroje (jeden s fází = 0 ° a jeden s fází = 180 °) jsou připojeny ke dvěma napěťově řízeným spínačům. Oba spínače mají stejný signál se čtvercovou vlnou a odpory zapnutí a vypnutí jsou konfigurovány tak, že jeden je otevřený, zatímco druhý je uzavřen. „Výstupní“ svorky obou spínačů jsou spojeny dohromady a operační zesilovač vyrovnává výsledný signál, který vypadá takto:




Dále máme referenční sinusoid (V4) s frekvencí rovnající se kmitočtu tvaru vlny BPSK a poté pomocí libovolného zdroje napětí pro behaviorální chování vynásobíme signál BPSK referenčním signálem. Zde je výsledek:




Jak vidíte, demodulovaný signál je dvojnásobkem frekvence přijímaného signálu a má kladný nebo záporný DC offset podle fáze každého symbolu. Pokud potom integrujeme tento signál s ohledem na každou bitovou periodu, budeme mít digitální signál, který odpovídá původním datům.

Soudržná detekce
V tomto příkladu je fáze referenčního signálu přijímače synchronizována s fází příchozího modulovaného signálu. To lze snadno provést simulací; v reálném životě je to výrazně obtížnější. Kromě toho, jak je uvedeno na této stránce v části „Rozdílové kódování“, nelze klíčování s běžným fázovým posunem použít v systémech, které podléhají neočekávaným fázovým rozdílům mezi vysílačem a přijímačem. 

Například, pokud je referenční signál přijímače 90 ° mimo fázi s nosičem vysílače, bude fázový rozdíl mezi referenčním signálem a signálem BPSK vždy 90 ° a cos (90 °) je 0. Takže DC offset je ztratil a systém je zcela nefunkční.

To lze potvrdit změnou fáze zdroje V4 na 90 °; zde je výsledek:

Shrnutí
* Digitální demodulace vyžaduje synchronizaci bitového období; přijímač musí být schopen identifikovat hranice mezi sousedními symboly.

* Signály klíčování binárního fázového posunu mohou být demodulovány násobením následovaným integrací. Referenční signál použitý v multiplikačním kroku má stejnou frekvenci jako nosná část vysílače.

* Běžné klíčování fázového posunu je spolehlivé pouze tehdy, když fáze referenčního signálu přijímače může udržovat synchronizaci s fází nosiče vysílače.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv