Kā demodulēt digitālās fāzes modulāciju

Radiofrekvences demodulācija
Uzziniet, kā iegūt oriģinālos digitālos datus no fāzes maiņas taustiņu ievadīšanas viļņu formas.

Iepriekšējās divās lappusēs mēs apskatījām sistēmas AM un FM signālu, kas satur analogos datus, piemēram, (ne digitalizēts) audio, demodulācijas veikšanai. Tagad mēs esam gatavi apskatīt, kā atgūt oriģinālo informāciju, kas ir kodēta, izmantojot trešo vispārīgo modulācijas veidu, proti, fāzes modulāciju.

Tomēr analogā fāzes modulācija nav izplatīta, turpretī digitālā fāzes modulācija ir ļoti izplatīta. Tādējādi ir vairāk jēgas izpētīt PM demodulāciju digitālās RF komunikācijas kontekstā. Mēs izpētīsim šo tēmu, izmantojot bināro fāžu nobīdes taustiņu (BPSK); tomēr ir labi zināt, ka kvadrātiskās fāzes nobīdes taustiņi (QPSK) vairāk attiecas uz mūsdienu bezvadu sistēmām.

Kā norāda nosaukums, bināro fāžu maiņas taustiņi attēlo digitālos datus, piešķirot vienu fāzi binārai 0 un citu fāzi binārai 1. Divas fāzes ir atdalītas ar 180 °, lai optimizētu demodulācijas precizitāti - vairāk atdalot divas fāzes vērtības, tas ir vieglāk lai atšifrētu simbolus.

Reizināt un integrēt - un sinhronizēt
BPSK demodulators galvenokārt sastāv no diviem funkcionāliem blokiem: reizinātāja un integratora. Šie divi komponenti radīs signālu, kas atbilst sākotnējiem binārajiem datiem. Tomēr ir nepieciešama arī sinhronizācijas shēma, jo uztvērējam jāspēj noteikt robežu starp bitu periodiem. Šī ir būtiska atšķirība starp analogo demodulāciju un digitālo demodulāciju, tāpēc apskatīsim sīkāk.

 

Analogā demodulācijā signālam nav sākuma vai beigu. Iedomājieties FM raidītāju, kas pārraida audio signālu, ti, signālu, kas nepārtraukti mainās atkarībā no mūzikas. Tagad iedomājieties FM uztvērēju, kas sākotnēji ir izslēgts. 

Lietotājs jebkurā laikā var ieslēgt uztvērēju, un demodulācijas shēma sāks izdalīt audio signālu no modulētā nesēja. Izņemto signālu var pastiprināt un nosūtīt uz skaļruni, un mūzika skanēs normāli. 

Uztvērējam nav ne jausmas, vai audio signāls apzīmē dziesmas sākumu vai beigas vai ja demodulācijas shēma sāk darboties mērījuma sākumā vai tieši pie ritma, vai starp diviem sitieniem. Tam nav nozīmes; katra momentāna sprieguma vērtība atbilst vienam precīzam skaņas signāla brīdim, un skaņa tiek radīta no jauna, kad visas šīs momentānās vērtības rodas secīgi.

Ar digitālo modulāciju situācija ir pilnīgi atšķirīga. Mēs nenodarbojamies ar momentānām amplitūdām, bet drīzāk ar amplitūdu secību, kas attēlo vienu diskrētu informācijas daļu, proti, skaitli (vienu vai nulli). 

Katra amplitūdu secība, ko sauc par simbolu un kuras ilgums ir vienāds ar viena bita periodu, ir jānošķir no iepriekšējām un sekojošām sekvencēm: Ja raidorganizācija (no iepriekš minētā piemēra) izmantoja digitālo modulāciju un uztvērēju ieslēdza un sāka demodulēt plkst. izlases laika brīdī, kas notiktu? 

Nu, ja uztvērējs sāktu demodulēt simbola vidū, tas mēģinātu interpretēt pusi no viena simbola un pusi no nākamā simbola. Tas, protams, novestu pie kļūdām; simbolam loģika, kam seko simbols loģikai-nulle, būtu vienlīdzīgas iespējas tikt interpretētam kā simbolam vai nullei.

Skaidrs, ka visās digitālajās RF sistēmās prioritātei jābūt sinhronizācijai. Viena tieša pieeja sinhronizācijai ir pirms katras paketes ar iepriekš noteiktu “apmācības secību”, kas sastāv no mainīgiem nulles simboliem un viena simbola (kā parādīts iepriekš redzamajā diagrammā). Uztvērējs var izmantot šīs viena nulle-viens-nulle pārejas, lai noteiktu laika robežu starp simboliem, un tad pārējos paketes simbolus var pareizi interpretēt, vienkārši piemērojot sistēmas iepriekš noteikto simbolu ilgumu.

Reizināšanas efekts
Kā minēts iepriekš, PSK demodulācijas būtisks solis ir reizināšana. Precīzāk, mēs reizinām ienākošo BPSK signālu ar atsauces signālu, kura frekvence ir vienāda ar nesēja frekvenci. Ko tas paveic? Apskatīsim matemātiku; pirmkārt, produkts identificē divas sinusa funkcijas:

 

Ja šīs vispārējās sinusoidālās funkcijas pārvēršam signālos ar frekvenci un fāzi, mums ir šāds:

Vienkāršojot, mums ir:

Tātad, reizinot divus vienādas frekvences, bet atšķirīgas fāzes sinusoīdus, rezultāts ir sinusoīds ar divkāršu frekvenci plus nobīde, kas ir atkarīga no atšķirības starp abām fāzēm. 

Galvenā ir nobīde: Ja saņemtā signāla fāze ir vienāda ar atsauces signāla fāzi, mums ir cos (0 °), kas ir vienāds ar 1. Ja saņemtā signāla fāze ir 180 ° atšķirīga no fāzes atskaites signāls, mums ir cos (180 °), kas ir –1. Tādējādi reizinātāja izejai būs pozitīva līdzstrāvas nobīde vienai no binārajām vērtībām un negatīva līdzstrāvas nobīde otrai binārajai vērtībai. Šo nobīdi var izmantot, lai interpretētu katru simbolu kā nulli vai vienu.

Simulācijas apstiprinājums
Šī BPSK modulācijas un demodulācijas shēma parāda, kā jūs varat izveidot BPSK signālu LTspice:

Divi sinusa avoti (viens ar fāzi = 0 ° un viens ar fāzi = 180 °) ir savienoti ar diviem slēdžiem, ko kontrolē ar spriegumu. Abiem slēdžiem ir vienāds kvadrātveida viļņu vadības signāls, un ieslēgšanas un izslēgšanas pretestība ir konfigurēta tā, ka viens ir atvērts, bet otrs ir aizvērts. Abu slēdžu “izejas” spailes ir sasietas, un op-amp buferizē iegūto signālu, kas izskatās šādi:




Tālāk mums ir atsauces sinusoīds (V4) ar frekvenci, kas vienāda ar BPSK viļņu formas frekvenci, un pēc tam mēs izmantojam patvaļīgu uzvedības sprieguma avotu, lai BPSK signālu reizinātu ar atsauces signālu. Rezultāts:




Kā redzat, demodulētais signāls ir divreiz lielāks nekā saņemtā signāla frekvence, un tam ir pozitīva vai negatīva DC nobīde atbilstoši katra simbola fāzei. Ja pēc tam integrēsim šo signālu attiecībā uz katru bita periodu, mums būs digitālais signāls, kas atbilst sākotnējiem datiem.

Saskaņota noteikšana
Šajā piemērā uztvērēja atsauces signāla fāze tiek sinhronizēta ar ienākošā modulētā signāla fāzi. Tas ir viegli paveicams simulācijā; reālajā dzīvē tas ir ievērojami grūtāk. Turklāt, kā aprakstīts šajā lapā sadaļā “Diferenciālais kodējums”, parasto fāzes maiņas taustiņu nevar izmantot sistēmās, kuras ir neparedzamas fāzu atšķirības starp raidītāju un uztvērēju. 

Piemēram, ja uztvērēja atsauces signāls ir 90 ° ārpus fāzes ar raidītāja nesēju, fāzes starpība starp atsauces un BPSK signālu vienmēr būs 90 °, un cos (90 °) ir 0. Tādējādi līdzstrāvas nobīde ir pazaudēts, un sistēma ir pilnībā nefunkcionējoša.

To var apstiprināt, mainot V4 avota fāzi uz 90 °; lūk rezultāts:

Kopsavilkums
* Digitālā demodulācija prasa sinhronizāciju ar bitperiodiem; uztvērējam jāspēj noteikt robežas starp blakus esošajiem simboliem.

* Bināro fāžu maiņas taustiņu signālus var demodulēt, reizinot ar sekojošu integrāciju. Reizināšanas signālam, ko izmanto reizināšanas solī, ir tāda pati frekvence kā raidītāja nesējam.

* Parastā fāzes maiņas taustiņi ir uzticami tikai tad, ja uztvērēja atsauces signāla fāze var uzturēt sinhronizāciju ar raidītāja nesēja fāzi.

Atstāj ziņu 

Message saraksts