Hoe om digitale fase-modulasie te demoduleer

Radiofrekwensie-demodulasie
Lees hoe u die oorspronklike digitale data kan onttrek uit 'n faseverskuiwingsgolfvorm.

In die vorige twee bladsye het ons stelsels bespreek vir die uitvoering van demodulering van AM- en FM-seine wat analoog data bevat, soos (nie-gedigitaliseerde) klank. Nou is ons gereed om te kyk hoe om oorspronklike inligting wat deur die derde algemene modulasiekode gekodeer is, te herwin, naamlik fasemodulasie.

Analoogfasemodulasie is egter nie algemeen nie, terwyl digitale fasemodulasie baie algemeen voorkom. Dit is dus meer sinvol om PM-demodulasie te ondersoek in die konteks van digitale RF-kommunikasie. Ons ondersoek hierdie onderwerp deur gebruik te maak van binêre faseverskuiwingstoetsing (BPSK); Dit is egter goed om bewus te wees dat kwadratuurfasewisseling (QPSK) meer relevant is vir moderne draadlose stelsels.

Soos die naam aandui, verteenwoordig binêre faseverskuiwing digitale data deur een fase toe te ken aan binêre 0 en 'n ander fase aan binêre 1. Die twee fases word van 180 ° geskei om die demodulasie-akkuraatheid te optimaliseer - meer skeiding tussen die twee fasewaardes maak dit makliker om die simbole te dekodeer.

Vermenigvuldig en integreer — en gesinchroniseer
'N BPSK-demodulator bestaan ​​hoofsaaklik uit twee funksionele blokke: 'n vermenigvuldiger en 'n integrator. Hierdie twee komponente lewer 'n sein wat ooreenstem met die oorspronklike binêre data. Sinkronisasie-stroombane is egter ook nodig, omdat die ontvanger die grens tussen bitperiodes moet kan identifiseer. Dit is 'n belangrike verskil tussen analoge demodulasie en digitale demodulasie, dus kom ons kyk noukeuriger.

 

In analoog demodulasie het die sein nie regtig 'n begin of 'n einde nie. Stel jou voor 'n FM-sender wat 'n klanksein uitsaai, dit wil sê 'n sein wat voortdurend wissel na gelang van die musiek. Stel u 'n FM-ontvanger voor wat aanvanklik afgeskakel is. 

Die gebruiker kan die ontvanger op enige oomblik inskakel, en die demoduleringskringloop sal die klanksein begin onttrek vanaf die gemoduleerde draer. Die onttrekte sein kan versterk en na 'n luidspreker gestuur word, en die musiek sal normaal klink. 

Die ontvanger het geen idee of die klanksein die begin of einde van 'n liedjie voorstel nie, of die demoduleringskringloop begin funksioneer aan die begin van 'n maat, of regs op die maat, of tussen twee polsslae nie. Dit maak nie saak nie; elke oombliklike spanningswaarde stem ooreen met een presiese oomblik in die klanksein, en die klank word weer geskep wanneer al hierdie oombliklike waardes agtereenvolgens voorkom.

Met digitale modulasie is die situasie heeltemal anders. Ons het nie te make met onmiddellike amplitudes nie, maar eerder met 'n reeks amplitudes wat een enkele inligting bevat, naamlik 'n getal (een of nul). 

Elke volgorde van amplitudes - 'n simbool genoem, met 'n tydsduur gelyk aan een bis periode - moet onderskei word van die voorafgaande en volgende reekse: As die uitsaaier (uit bogenoemde voorbeeld) digitale modulasie gebruik en die ontvanger aangeskakel en begin demoduleer het om 'n ewekansige tydstip, wat sou gebeur? 

Wel, as die ontvanger toevallig in die middel van 'n simbool begin demoduleer, sou hy die helfte van een simbool en die helfte van die volgende simbool probeer interpreteer. Dit sou natuurlik lei tot foute; 'n logika-een-simbool gevolg deur 'n logika-nul-simbool sou 'n gelyke kans hê om geïnterpreteer te word as een of 'n nul.

Dit is dus duidelik dat sinchronisasie 'n prioriteit moet wees in enige digitale RF-stelsel. Een eenvoudige benadering tot sinchronisasie is om elke pakket vooraf te gaan met 'n vooraf gedefinieerde “oefenvolgorde” wat bestaan ​​uit wisselende nul-simbole en een simbole (soos in die diagram hierbo). Die ontvanger kan hierdie oorgange een-nul-een-nul-nul gebruik om die temporale grens tussen simbole te identifiseer, en dan kan die res van die simbole in die pakkie korrek geïnterpreteer word deur die voorafbepaalde simboolduur van die stelsel toe te pas.

Die effek van vermenigvuldiging
Soos hierbo genoem, is 'n fundamentele stap in PSK-demodulering vermenigvuldiging. Meer spesifiek vermenigvuldig ons 'n inkomende BPSK-sein met 'n verwysingssein met 'n frekwensie gelyk aan die draerfrekwensie. Wat bereik dit? Kom ons kyk na die wiskunde; eerstens, die produk identifiseer vir twee sinusfunksies:

 

As ons hierdie generiese sinusfunksies omskakel in seine met 'n frekwensie en fase, het ons die volgende:

Vereenvoudigend het ons:

As ons dus twee sinusoïede met dieselfde frekwensie maar verskillende fase vermenigvuldig, is die resultaat 'n sinusvorm van dubbel die frekwensie plus 'n offset wat afhang van die verskil tussen die twee fases. 

Die offset is die sleutel: As die fase van die ontvangde sein gelyk is aan die fase van die verwysingsignaal, het ons cos (0 °), wat gelyk is aan 1. As die fase van die ontvangde sein 180 ° verskil van die fase van die verwysingsein, ons het cos (180 °), wat –1 is. Dus sal die uitset van die vermenigvuldiger 'n positiewe DC-offset hê vir een van die binêre waardes en 'n negatiewe DC-offset vir die ander binêre waarde. Hierdie offset kan gebruik word om elke simbool as 'n nul of een te interpreteer.

Bevestiging van simulasie
Die volgende BPSK-modulasie-en-demodulasiekring toon u hoe u 'n BPSK-sein in LTspice kan skep:

Twee sinusbronne (een met fase = 0 ° en een met fase = 180 °) is aan twee spanningsbeheerde skakelaars gekoppel. Albei skakelaars het dieselfde vierkantsgolfbeheersignaal, en die aan- en uitweerstande is so opgestel dat die een oop is terwyl die ander gesluit is. Die “uitgang” -aansluitings van die twee skakelaars is aanmekaar vasgemaak, en die op-amp-buffer beseer die gevolglike sein, wat so lyk:




Vervolgens het ons 'n verwysingsinus (V4) met 'n frekwensie gelyk aan die frekwensie van die BPSK-golfvorm, en dan gebruik ons ​​'n arbitrêre gedragspanningsbron om die BPSK-sein te vermenigvuldig met die verwysingssein. Hier is die resultaat:




Soos u kan sien, is die gedemoduleerde sein dubbel die frekwensie van die ontvangde sein, en het dit 'n positiewe of negatiewe DC-offset volgens die fase van elke simbool. As ons dan hierdie sein integreer met betrekking tot elke bitperiode, sal ons 'n digitale sein hê wat ooreenstem met die oorspronklike data.

Samehangende opsporing
In hierdie voorbeeld word die fase van die ontvanger se verwysingsein gesinchroniseer met die fase van die inkomende gemoduleerde sein. Dit word maklik gedoen deur 'n simulasie; dit is aansienlik moeiliker in die regte lewe. Soos bespreek op hierdie bladsy onder “Differensiële kodering”, kan gewone faseverskuiwing nie gebruik word in stelsels wat onderhewig is aan onvoorspelbare faseverskille tussen sender en ontvanger nie. 

Byvoorbeeld, as die verwysingsignaal van die ontvanger 90 ° buite fase is met die draer van die sender, sal die faseverskil tussen die verwysing en die BPSK-sein altyd 90 ° wees, en cos (90 °) is 0. Dus is die DC-offset verlore, en die stelsel is heeltemal nie funksioneel nie.

Dit kan bevestig word deur die fase van die V4-bron na 90 ° te verander; hier is die resultaat:

Opsomming
* Digitale demodulasie vereis sinchronisasie van bit-periode; die ontvanger moet die grense tussen aangrensende simbole kan identifiseer.

* Binêre fase-skakeltoetsseine kan gedemoduleer word deur vermenigvuldiging gevolg deur integrasie. Die verwysingssein wat in die vermenigvuldigingstap gebruik word, het dieselfde frekwensie as die draer van die sender.

* Gewone faseverskuiwing is slegs betroubaar as die fase van die ontvanger se verwysingsignaal sinchroniseer met die fase van die draer van die sender.

Los 'n boodskap 

boodskap Lys