Kako demoduliramo digitalno fazno modulacijo

Demodulacija radijske frekvence
Preberite več o tem, kako izvleči izvirne digitalne podatke iz valovne oblike faznega premika.

Na prejšnjih dveh straneh smo razpravljali o sistemih za izvajanje demodulacije signalov AM in FM, ki prenašajo analogne podatke, na primer (ne digitaliziran) zvok. Zdaj smo pripravljeni pogledati, kako obnoviti izvirne informacije, ki so bile kodirane s tretjo splošno vrsto modulacije, in sicer fazno modulacijo.

Vendar analogna fazna modulacija ni pogosta, medtem ko je digitalna fazna modulacija zelo pogosta. Zato je bolj smiselno raziskovanje demodulacije PM v okviru digitalne RF komunikacije. To temo bomo raziskali z uporabo binarnega faznega premikanja (BPSK); vseeno pa je dobro vedeti, da je kvadratura z faznim premikom (QPSK) bolj primerna za sodobne brezžične sisteme.

Kot pove že ime, binarno fazno premikanje tipk predstavlja digitalne podatke tako, da eno fazo dodelijo binarnemu 0 in drugo fazo binarni 1. Dve fazi sta ločeni za 180 ° za optimizacijo natančnosti demodulacije - več ločitve med dvema faznima vrednostma olajša za dekodiranje simbolov.

Pomnožite in povežite - in sinhronizirajte
Demodulator BPSK je sestavljen predvsem iz dveh funkcionalnih blokov: množitelja in integratorja. Ti dve komponenti proizvajata signal, ki ustreza izvirnim binarnim podatkom. Vendar je potrebno tudi sinhronizacijsko vezje, ker mora sprejemnik prepoznati mejo med bitnimi obdobji. To je pomembna razlika med analogno demodulacijo in digitalno demodulacijo, zato si poglejmo natančneje.

 

Pri analogni demodulaciji signal v resnici nima začetka ali konca. Predstavljajte si oddajnik FM, ki oddaja zvočni signal, to je signal, ki se nenehno spreminja glede na glasbo. Zdaj si predstavljajte FM sprejemnik, ki je bil sprva izklopljen. 

Uporabnik lahko kadar koli vklopi sprejemnik in vezje za demodulacijo bo začelo črpati zvočni signal iz moduliranega nosilca. Izvlečeni signal se lahko ojača in pošlje zvočniku, glasba pa se sliši normalno. 

Sprejemnik nima pojma, ali zvočni signal predstavlja začetek ali konec skladbe ali če vezje za demodulacijo začne delovati na začetku ukrepa, ali takoj na ritmu, ali med dvema udarcema. Ni pomembno; vsaka trenutna vrednost napetosti ustreza enemu natančnemu trenutku v zvočnem signalu, zvok pa se ponovno ustvari, ko se vse te trenutne vrednosti zaporedoma pojavijo.

Z digitalno modulacijo je situacija povsem drugačna. Ne ukvarjamo se s trenutnimi amplitudami, temveč z zaporedjem amplitud, ki predstavlja en diskretni podatek, in sicer število (eno ali nič). 

Vsako zaporedje amplitud - imenovanih simbol, s trajanjem enakega bitovnega obdobja - je treba razlikovati od prejšnjih in naslednjih zaporedij: Če je izdajatelj televizijskih programov (iz zgornjega primera) uporabljal digitalno modulacijo in se sprejemnik vklopil in začel demodulacijo na naključni čas, kaj bi se zgodilo? 

No, če bi se sprejemnik začel demodulirati na sredini simbola, bi poskušal razložiti polovico enega simbola in polovico naslednjega simbola. To bi seveda vodilo do napak; simbol logika-ena, ki mu sledi simbol logika-nič, bi imel enake možnosti, da bi ga razlagali kot ena ali nič.

Seveda mora biti sinhronizacija prednostna naloga v katerem koli digitalnem RF sistemu. En neposreden pristop k sinhronizaciji je predhoditi vsak paket z vnaprej določenim "vadbenim zaporedjem", sestavljenim iz izmeničnih ničelnih simbolov in enega simbola (kot na zgornjem diagramu). Sprejemnik lahko s temi prehodi ena-ena-ena-nič ugotovi časovno mejo med simboli, nato pa lahko preostale simbole v paketu pravilno interpretira preprosto z uporabo vnaprej določenega trajanja simbola sistema.

Učinek množenja
Kot že omenjeno, je temeljni korak demodulacije PSK množenje. Natančneje pomnožimo dohodni BPSK signal z referenčnim signalom s frekvenco, ki je enaka nosilni frekvenci. Kaj to dosega? Poglejmo si matematiko; prvič, izdelek prepozna za dve sinusni funkciji:

 

Če te splošne sinusne funkcije pretvorimo v signale s frekvenco in fazo, imamo naslednje:

Poenostavljeno imamo:

Ko pomnožimo dva sinusoida enake frekvence, vendar različne faze, je rezultat sinusoid dvojne frekvence plus odmik, ki je odvisen od razlike med obema fazama. 

Izravnava je ključna: Če je faza sprejetega signala enaka fazi referenčnega signala, imamo cos (0 °), kar je enako 1. Če je faza sprejetega signala za 180 ° drugačna od faze referenčni signal imamo cos (180 °), kar je –1. Tako bo imel izhod množitelja pozitiven odmik enosmernega toka za eno od binarnih vrednosti in negativen odmik DC za drugo binarno vrednost. Ta odmik lahko uporabite za tolmačenje vsakega simbola kot nič ali ena.

Potrditev simulacije
Naslednje vezje za modulacijo in demodulacijo BPSK vam prikazuje, kako lahko ustvarite signal BPSK v LTspice:

Dva sinusna vira (eden s fazo = 0 ° in eden s fazo = 180 °) sta povezana na dva napetostno krmiljena stikala. Oba stikala imata enak kvadratni valovni krmilni signal, vklopi in izklopi pa so konfigurirani tako, da je eno odprto, drugo pa zaprto. Izhodni terminali obeh stikal so med seboj povezani in op-amp shrani rezultat, ki je videti takole:




Nato imamo referenčni sinusoid (V4) s frekvenco, ki je enaka frekvenci valovne oblike BPSK, nato pa uporabimo poljuben vedenjski napetostni vir, da pomnožimo signal BPSK z referenčnim signalom. Tu je rezultat:




Kot vidite, je demoduliran signal dvakrat pogostejši od sprejetega signala in ima pozitiven ali negativen odmik enosmernega toka glede na fazo vsakega simbola. Če nato integriramo ta signal glede na vsako bitno obdobje, bomo imeli digitalni signal, ki ustreza izvirnim podatkom.

Skladno zaznavanje
V tem primeru je faza referenčnega signala sprejemnika sinhronizirana s fazo dohodnega moduliranega signala. To je enostavno doseči s simulacijo; v resničnem življenju je bistveno težje. Poleg tega, kot je razloženo na tej strani v razdelku "Diferencialno kodiranje", običajnega faznega premikanja v sistemih, ki so podvrženi nepredvidljivim faznim razlikam med oddajnikom in sprejemnikom, ni mogoče uporabiti. 

Na primer, če je referenčni signal sprejemnika 90 ° zunaj faze z nosilcem oddajnika, bo fazna razlika med referenčnim in signalom BPSK vedno 90 °, cos (90 °) pa 0. Torej je odmik enosmernega toka enak izgubljen, sistem pa je popolnoma nefunkcionalen.

To je mogoče potrditi s spreminjanjem faze vira V4 na 90 °; tukaj je rezultat:

Povzetek
* Digitalna demodulacija zahteva sinhronizacijo z bitnim obdobjem; sprejemnik mora biti sposoben določiti meje med sosednjimi simboli.

* Binarni fazni premik s tipkami se lahko demodulira z množenjem, ki mu sledi integracija. Referenčni signal, uporabljen v koraku množenja, ima enako frekvenco kot nosilec oddajnika.

* Navadno krmiljenje faznega premika je zanesljivo le, kadar lahko faza referenčnega signala sprejemnika vzdržuje sinhronizacijo s fazo nosilca oddajnika.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo