Porozumění kvadraturní demodulaci

Radiofrekvenční demodulace
Tato stránka vysvětluje, co je kvadraturní demodulace a poskytuje vhled do podstaty I / Q signálů.

Pokud jste si přečetli předchozí stránku, víte, jaké jsou I / Q signály a jak je dosaženo kvadraturní (tj. Založené na I / Q signálu) modulaci. Na této stránce budeme diskutovat kvadraturní demodulaci, což je univerzální technika pro získávání informací z amplitudově, frekvenčně a fázově modulovaných průběhů.

Převod na I a Q
Následující diagram ukazuje základní strukturu kvadraturního demodulátoru.

Budete si okamžitě všimnout, že systém je podobný kvadraturnímu modulátoru v opačném směru. RF signál je násoben signálem lokálního oscilátoru (pro I kanál) a lokální oscilátor je posunut o 90 ° (pro Q kanál). Výsledkem (po nízkoprůchodovém filtrování, které bude vysvětleno krátce) jsou vlnové tvary I a Q, které jsou připraveny k dalšímu zpracování.

V kvadraturní modulaci používáme I / Q signály v základním pásmu k vytvoření amplitudově, frekvenčně nebo fázově modulovaného průběhu, které bude amplifikováno a vysíláno. V kvadraturní demodulaci převádíme existující modulaci na odpovídající I / Q signály v základním pásmu. 

Je důležité pochopit, že přijatý signál může být z jakéhokoli druhu vysílače - kvadraturní demodulace není omezena na signály, které byly původně vytvořeny kvadraturní modulací.

Nízkopásmové filtry jsou nutné, protože kvadraturní násobení aplikované na přijatý signál se neliší od násobení použitého například v běžném AM demodulátoru. Přijaté spektrum bude posunuto dolů a nahoru nosnou frekvencí (fC); proto je zapotřebí dolní propust, aby se potlačil vysokofrekvenční obsah spojený se spektrem soustředěným kolem 2fC.

Pokud jste si přečetli stránku o amplitudové demodulaci, předchozí odstavec vás možná přiměl uvědomit si, že kvadraturní demodulátor je ve skutečnosti složen ze dvou amplitudových demodulátorů. Samozřejmě nemůžete použít běžnou amplitudovou demodulaci na frekvenčně modulovaný signál; v amplitudě signálu FM nejsou zakódovány žádné informace. 

Kvadraturní (amplitudová) demodulace však může zachytit informace kódované frekvencí - to je jednoduše (spíše zajímavá) povaha I / Q signálů. Použitím dvou demodulátorů amplitudy řízených sinusoidy s nosnou frekvencí s fázovým rozdílem 90 ° vytváříme dva různé signály v základním pásmu, které společně mohou přenášet informace kódované prostřednictvím změn frekvence nebo fáze přijímaného signálu.

Kvadraturní amplitudová demodulace
Jak bylo zmíněno na první stránce této kapitoly „Jak demodulovat vlnovou formu AM“, jeden přístup k demodulaci amplitudy zahrnuje vynásobení přijatého signálu referenčním signálem nosné frekvence a pak filtrování výsledku s nízkým průchodem. 

Tato metoda poskytuje vyšší výkon než demodulace AM, která je vytvořena kolem detektoru netěsných špiček. Tento přístup má však vážnou slabost: výsledek násobení je ovlivněn fázovým vztahem mezi nosnou vlnou vysílače a referenčním signálem nosné frekvence nosné.

Tyto grafy ukazují demodulovaný signál pro tři hodnoty fázového rozdílu mezi vysílačem a přijímačem. S rostoucí fázovou diferencí klesá amplituda demodulovaného signálu. Demodulační postup se stal nefunkčním při fázovém rozdílu 90 °; to představuje nejhorší scénář - tj. amplituda se začne znovu zvyšovat, když se fázový rozdíl pohybuje (v obou směrech) od 90 °.

Jedním způsobem, jak napravit tuto situaci, je prostřednictvím přídavných obvodů, které synchronizují fázi referenčního signálu přijímače s fází přijímaného signálu. Kvadraturní demodulaci však lze použít k překonání absence synchronizace mezi vysílačem a přijímačem. 

Jak již bylo zdůrazněno, nejhorší fázový nesoulad je ± 90 °. Pokud tedy provedeme multiplikaci se dvěma referenčními signály oddělenými 90 ° fáze, výstup z jednoho multiplikátoru kompenzuje klesající amplitudu výstupu z druhého multiplikátoru. 

V tomto scénáři je nejhorší fázový rozdíl 45 ° a ve výše uvedeném grafu můžete vidět, že fázový rozdíl 45 ° nevede ke katastrofické redukci amplitudy demodulovaného signálu.

Následující grafy ukazují tuto kompenzaci I / Q. Stopy jsou demodulované signály z větví I a Q kvadraturního demodulátoru.

Fáze vysílače = 0 °

 

Fáze vysílače = 90 °

Konstantní amplituda
Bylo by výhodné, kdybychom mohli kombinovat verze I a Q demodulovaného signálu do jednoho tvaru vlny, který udržuje konstantní amplitudu bez ohledu na fázový vztah mezi vysílačem a přijímačem. 

Vaším prvním instinktem může být použití sčítání, ale bohužel to není tak jednoduché. Následující graf byl vytvořen opakováním simulace, ve které je všechno stejné, kromě fáze nosiče vysílače. Hodnota fáze je přiřazena parametru, který má sedm různých hodnot: 0 °, 30 °, 60 °, 90 °, 120 °, 150 ° a 180 °. Stopa je součtem demodulované vlny I a demodulované vlny Q.

Jak vidíte, sčítání rozhodně není způsob, jak vytvořit signál, který není ovlivněn změnami fázového vztahu mezi vysílačem a přijímačem. To není překvapivé, pokud si pamatujeme matematickou ekvivalenci mezi I / Q signalizací a komplexními čísly: složky I a Q signálu jsou analogické skutečným a imaginárním částem komplexního čísla. 

Provedením kvadraturní demodulace získáme skutečné a imaginární komponenty, které odpovídají velikosti a fázi signálu v základním pásmu. Jinými slovy, I / Q demodulace je v zásadě překlad: převádíme z veličinového plus fázového systému (používaného typickým průběhem základního pásma) do kartézského systému, ve kterém je složka I vynesena na osu x a Q složka je vynesena na ose y.

Abychom získali velikost komplexního čísla, nemůžeme jednoduše přidat skutečné a imaginární části a totéž platí pro komponenty signálu I a Q. Místo toho musíme použít vzorec uvedený v diagramu, což není nic jiného než standardní pythagorovský přístup k nalezení délky přetížení pravého trojúhelníku. 

Použijeme-li tento vzorec na demodulované průběhy I a Q, můžeme získat konečný demodulovaný signál, který není ovlivněn fázovými změnami. Následující graf to potvrzuje: simulace je stejná jako předchozí (tj. Sedm různých fázových hodnot), ale vidíte pouze jeden signál, protože všechny stopy jsou identické.

Shrnutí
* Kvadraturní demodulace používá ke generování demodulovaných průběhů I a Q dva referenční signály oddělené 90 ° fáze, spolu se dvěma multiplikátory a dvěma dolními propusti.

* Kvadraturní demodulaci lze použít k vytvoření AM demodulátoru, který je kompatibilní s nedostatkem fázové synchronizace mezi vysílačem a přijímačem.
Vlnové křivky I a Q, které jsou výsledkem kvadraturní demodulace, jsou ekvivalentní skutečné a imaginární části komplexního čísla.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv