Jak zdemodulować cyfrową modulację faz

Demodulacja częstotliwości radiowych
Dowiedz się, jak wyodrębnić oryginalne dane cyfrowe z fali z kluczowaniem z przesunięciem fazowym.

Na dwóch poprzednich stronach omawialiśmy systemy do przeprowadzania demodulacji sygnałów AM i FM, które przenoszą dane analogowe, takie jak (niezcyfrowane) audio. Teraz jesteśmy gotowi przyjrzeć się, jak odzyskać oryginalne informacje zakodowane za pomocą trzeciego ogólnego rodzaju modulacji, a mianowicie modulacji fazowej.

Jednak analogowa modulacja fazowa nie jest powszechna, podczas gdy cyfrowa modulacja fazowa jest bardzo powszechna. Dlatego bardziej sensowne jest badanie demodulacji PM w kontekście cyfrowej komunikacji RF. Omówimy ten temat za pomocą binarnego kluczowania z przesunięciem fazowym (BPSK); warto jednak pamiętać, że kwadraturowe kluczowanie z przesunięciem fazowym (QPSK) jest bardziej odpowiednie dla nowoczesnych systemów bezprzewodowych.

Jak sama nazwa wskazuje, kluczowanie binarne z przesunięciem fazowym reprezentuje dane cyfrowe poprzez przypisanie jednej fazy do binarnego 0 i innej fazy do binarnej 1. Dwie fazy są rozdzielone o 180 ° w celu optymalizacji dokładności demodulacji - większa separacja między dwiema wartościami fazowymi ułatwia dekodować symbole.

Mnożenie i integracja - i synchronizacja
Demodulator BPSK składa się głównie z dwóch bloków funkcjonalnych: multiplikatora i integratora. Te dwa elementy wytworzą sygnał, który odpowiada oryginalnym danym binarnym. Jednak potrzebny jest również obwód synchronizacji, ponieważ odbiornik musi być w stanie zidentyfikować granicę między okresami bitowymi. Jest to ważna różnica między demodulacją analogową a cyfrową, więc przyjrzyjmy się bliżej.

 

W analogowej demodulacji sygnał tak naprawdę nie ma początku ani końca. Wyobraź sobie nadajnik FM, który nadaje sygnał audio, tj. Sygnał, który zmienia się w sposób ciągły w zależności od muzyki. Teraz wyobraź sobie, że odbiornik FM jest początkowo wyłączony. 

Użytkownik może w każdej chwili włączyć odbiornik, a zespół demodulacyjny zacznie wydobywać sygnał audio z modulowanej nośnej. Wydzielony sygnał można wzmocnić i wysłać do głośnika, a muzyka zabrzmi normalnie. 

Odbiornik nie ma pojęcia, czy sygnał audio reprezentuje początek lub koniec utworu, czy też obwód demodulacyjny zaczyna działać na początku taktu, bezpośrednio na takcie lub pomiędzy dwoma uderzeniami. To nie ma znaczenia; każda chwilowa wartość napięcia odpowiada dokładnie jednemu momentowi w sygnale audio, a dźwięk jest odtwarzany ponownie, gdy wszystkie te chwilowe wartości występują kolejno.

W przypadku modulacji cyfrowej sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Nie mamy do czynienia z amplitudami chwilowymi, ale raczej sekwencją amplitud, która reprezentuje jeden dyskretny kawałek informacji, a mianowicie liczbę (jedną lub zero). 

Każdą sekwencję amplitud - zwaną symbolem, o czasie trwania równym jednemu okresowi bitowemu - należy odróżnić od poprzednich i następujących sekwencji: Jeśli nadawca (z powyższego przykładu) używał modulacji cyfrowej, a odbiornik włączał się i zaczął demodulować w losowy moment w czasie, co by się stało? 

Cóż, jeśli odbiornik zdarzyłby się demodulować w środku symbolu, próbowałby zinterpretować połowę jednego symbolu i połowę następnego symbolu. Doprowadziłoby to oczywiście do błędów; symbol logiczny jeden, po którym następuje symbol logiczny zero, miałby równe szanse na interpretację jako jeden lub zero.

Oczywiście synchronizacja musi być priorytetem w każdym cyfrowym systemie RF. Jednym z prostych podejść do synchronizacji jest poprzedzenie każdego pakietu z góry zdefiniowaną „sekwencją treningową” składającą się z naprzemiennie zerowych symboli i jednego symbolu (jak na powyższym schemacie). Odbiornik może wykorzystać te przejścia jeden-zero-jeden-zero do identyfikacji czasowej granicy między symbolami, a następnie pozostałe symbole w pakiecie mogą być poprawnie zinterpretowane po prostu poprzez zastosowanie wstępnie zdefiniowanego czasu trwania symbolu w systemie.

Efekt mnożenia
Jak wspomniano powyżej, podstawowym etapem demodulacji PSK jest zwielokrotnienie. Mówiąc dokładniej, mnożymy przychodzący sygnał BPSK przez sygnał odniesienia o częstotliwości równej częstotliwości nośnej. Co to osiąga? Spójrzmy na matematykę; po pierwsze, identyfikator produktu dla dwóch funkcji sinusoidalnych:

 

Jeśli zamienimy te ogólne funkcje sinusoidalne na sygnały o częstotliwości i fazie, otrzymamy:

Upraszczając, mamy:

Kiedy więc pomnożymy dwie sinusoidy o jednakowej częstotliwości, ale różnej fazie, wynikiem jest sinusoida o podwójnej częstotliwości plus przesunięcie, które zależy od różnicy między dwiema fazami. 

Przesunięcie jest kluczem: jeśli faza odbieranego sygnału jest równa fazie sygnału odniesienia, mamy cos (0 °), co równa się 1. Jeśli faza odbieranego sygnału różni się o 180 ° od fazy sygnał odniesienia, mamy cos (180 °), który wynosi –1. Zatem wyjście multiplikatora będzie miało dodatnie przesunięcie DC dla jednej z wartości binarnych i ujemne przesunięcie DC dla drugiej wartości binarnej. To przesunięcie może być użyte do interpretacji każdego symbolu jako zero lub jeden.

Potwierdzenie symulacji
Poniższy obwód modulacji i demodulacji BPSK pokazuje, jak utworzyć sygnał BPSK w LTspice:

Dwa źródła sinusoidalne (jedno z fazą = 0 ° i jedno z fazą = 180 °) są podłączone do dwóch przełączników sterowanych napięciem. Oba przełączniki mają ten sam sygnał sterujący falą kwadratową, a rezystancje włączania i wyłączania są skonfigurowane tak, że jeden jest otwarty, a drugi zamknięty. Zaciski „wyjściowe” dwóch przełączników są ze sobą powiązane, a wzmacniacz operacyjny buforuje otrzymany sygnał, który wygląda następująco:




Następnie mamy sinusoidę odniesienia (V4) o częstotliwości równej częstotliwości fali BPSK, a następnie używamy dowolnego źródła napięcia behawioralnego do zwielokrotnienia sygnału BPSK przez sygnał odniesienia. Oto wynik:




Jak widać, demodulowany sygnał jest podwójną częstotliwością odbieranego sygnału i ma dodatnie lub ujemne przesunięcie DC zgodnie z fazą każdego symbolu. Jeśli następnie zintegrujemy ten sygnał w odniesieniu do każdego okresu bitowego, otrzymamy sygnał cyfrowy, który odpowiada oryginalnym danym.

Spójne wykrywanie
W tym przykładzie faza sygnału odniesienia odbiornika jest zsynchronizowana z fazą przychodzącego modulowanego sygnału. Można to łatwo osiągnąć w symulacji; w rzeczywistości jest to znacznie trudniejsze. Ponadto, jak omówiono na tej stronie w części „Kodowanie różnicowe”, zwykłe kluczowanie z przesunięciem fazowym nie może być stosowane w systemach, które podlegają nieprzewidywalnym różnicom faz między nadajnikiem a odbiornikiem. 

Na przykład, jeśli sygnał odniesienia odbiornika jest o 90 ° poza fazą z nośną nadajnika, różnica faz między sygnałem odniesienia i sygnałem BPSK będzie zawsze wynosić 90 °, a cos (90 °) wynosi 0. Zatem przesunięcie prądu stałego wynosi stracił, a system jest całkowicie niefunkcjonalny.

Można to potwierdzić, zmieniając fazę źródła V4 na 90 °; oto wynik:

Podsumowanie
* Cyfrowa demodulacja wymaga synchronizacji okresu bitów; odbiornik musi być w stanie zidentyfikować granice między sąsiednimi symbolami.

* Sygnały kluczowania z przesunięciem fazy binarnej można demodulować przez zwielokrotnienie, a następnie całkowanie. Sygnał referencyjny zastosowany w kroku zwielokrotnienia ma taką samą częstotliwość jak nośna nadajnika.

* Zwykłe kluczowanie z przesunięciem fazy jest niezawodne tylko wtedy, gdy faza sygnału odniesienia odbiornika może utrzymać synchronizację z fazą nośnej nadajnika.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów