Cum să demodulăm modularea digitală a fazelor

Demodularea prin frecvență radio
Aflați mai multe despre cum să extrageți datele digitale originale dintr-o formă de undă cu schimbare în fază.

În cele două pagini anterioare am discutat despre sistemele de efectuare a demodulării semnalelor AM și FM care transportă date analogice, cum ar fi sunetul (nemodificat). Acum suntem gata să analizăm modul de recuperare a informațiilor originale care au fost codificate prin intermediul celui de-al treilea tip general de modulație, și anume, modularea fazelor.

Cu toate acestea, modularea fazei analogice nu este frecventă, în timp ce modularea în faze digitale este foarte frecventă. Astfel, are mai mult sens să exploram demodularea PM în contextul comunicării digitale RF. Vom explora acest subiect folosind funcția de schimbare a fazelor binare (BPSK); cu toate acestea, este bine să fiți conștienți că punerea în funcțiune a schimbării de faze (QPSK) este mai relevantă pentru sistemele wireless moderne.

Așa cum sugerează și denumirea, punerea în funcție a schimbării de faze binare reprezintă datele digitale, alocând o fază binarului 0 și o fază diferită binarului 1. Cele două faze sunt separate cu 180 ° pentru a optimiza exactitatea demodulării - o mai mare separare între cele două valori ale fazei facilitează pentru a decodifica simbolurile.

Înmulțiți și integrați și sincronizați
Un demodulator BPSK constă în principal din două blocuri funcționale: un multiplicator și un integrator. Aceste două componente vor produce un semnal care corespunde datelor binare originale. Cu toate acestea, circuitul de sincronizare este, de asemenea, necesar, deoarece receptorul trebuie să poată identifica limita dintre perioadele de biți. Aceasta este o diferență importantă între demodularea analogică și demodularea digitală, deci să aruncăm o privire mai atentă.

 

În demodularea analogică, semnalul nu are într-adevăr un început sau un sfârșit. Imaginează-ți un transmițător FM care transmite un semnal audio, adică un semnal care variază continuu în funcție de muzică. Acum imaginați-vă un receptor FM care este inițial oprit. 

Utilizatorul poate alimenta receptorul în orice moment în timp, iar circuitul de demodulare va începe extragerea semnalului audio din purtătorul modulat. Semnalul extras poate fi amplificat și trimis unui difuzor, iar muzica va suna normal. 

Receptorul nu are idee dacă semnalul audio reprezintă începutul sau sfârșitul unei melodii, sau dacă circuitul de demodulare începe să funcționeze la începutul unei măsuri, sau chiar pe ritm, sau între două bătăi. Nu contează; fiecare valoare instantanee a tensiunii corespunde unui moment exact în semnalul audio, iar sunetul este re-creat atunci când toate aceste valori instantanee apar succesiv.

Odată cu modularea digitală, situația este complet diferită. Nu avem de-a face cu amplitudini instantanee, ci mai degrabă cu o secvență de amplitudini care reprezintă o informație discretă și anume un număr (unul sau zero). 

Fiecare secvență de amplitudini - numită simbol, cu o durată egală cu o perioadă de biți - trebuie să se distingă de secvențele precedente și următoare: Dacă radiodifuzorul (din exemplul de mai sus) folosea modularea digitală și receptorul se aprindea și începea să demoduleze la un moment întâmplător în timp, ce s-ar întâmpla? 

Ei bine, dacă receptorul s-ar întâmpla să demoduleze în mijlocul unui simbol, ar încerca să interpreteze jumătate din simbol și jumătate din simbolul următor. Acest lucru ar duce, desigur, la erori; un simbol logic-urmat de un simbol logică-zero ar avea o șansă egală de a fi interpretat ca unul sau un zero.

În mod clar, sincronizarea trebuie să fie o prioritate în orice sistem RF digital. O abordare simplă a sincronizării este precedarea fiecărui pachet cu o „secvență de formare” predefinită constând din alternarea simbolurilor zero și a unui simbol (ca în diagrama de mai sus). Receptorul poate utiliza aceste tranziții unu-zero-unu-zero pentru a identifica limita temporală între simboluri, apoi restul simbolurilor din pachet poate fi interpretat corect doar prin aplicarea duratei predefinite a sistemului.

Efectul înmulțirii
Așa cum am menționat mai sus, un pas fundamental în demodularea PSK este înmulțirea. Mai exact, înmulțim un semnal BPSK de intrare cu un semnal de referință cu frecvență egală cu frecvența purtătoare. Ce realizează asta? Să ne uităm la matematică; în primul rând, produsul identifică două funcții sinusale:

 

Dacă transformăm aceste funcții sinusoidale generice în semnale cu frecvență și fază, avem următoarele:

Simplificând, avem:

Deci, atunci când înmulțim două sinusoide cu frecvență egală, dar diferită, faza este un sinusoid cu dublă frecvență plus o compensare care depinde de diferența dintre cele două faze. 

Decalarea este cheia: Dacă faza semnalului primit este egală cu faza semnalului de referință, avem cos (0 °), care este egal cu 1. Dacă faza semnalului primit este 180 ° diferită de faza de semnalul de referință, avem cos (180 °), care este –1. Astfel, ieșirea multiplicatorului va avea un decalaj DC pozitiv pentru una dintre valorile binare și o compensare continuă DC pentru cealaltă valoare binară. Această compensare poate fi folosită pentru a interpreta fiecare simbol ca un zero sau unul.

Confirmare de simulare
Următorul circuit de modulare și demodulare BPSK vă arată cum puteți crea un semnal BPSK în LTspice:

Două surse sinusoidale (una cu faza = 0 ° și una cu faza = 180 °) sunt conectate la două comutatoare controlate de tensiune. Ambele întrerupătoare au același semnal de control cu ​​undă pătrată, iar rezistențele de pornire și oprire sunt configurate astfel încât unul să fie deschis în timp ce celălalt este închis. Terminalele „de ieșire” ale celor două comutatoare sunt legate între ele, iar op-amperul amortizează semnalul rezultat, care arată astfel:




În continuare, avem o sinusoidă de referință (V4) cu o frecvență egală cu frecvența formei de undă BPSK, apoi folosim o sursă de tensiune comportamentală arbitrară pentru a multiplica semnalul BPSK cu semnalul de referință. Iată rezultatul:




După cum puteți vedea, semnalul demodulat este dublul frecvenței semnalului primit și are un decalaj DC pozitiv sau negativ în funcție de faza fiecărui simbol. Dacă apoi integrăm acest semnal cu privire la fiecare perioadă de biți, vom avea un semnal digital care corespunde datelor inițiale.

Detecție coerentă
În acest exemplu, faza semnalului de referință al receptorului este sincronizată cu faza semnalului modulat de intrare. Acest lucru se realizează cu ușurință într-o simulare; este semnificativ mai dificil în viața reală. În plus, așa cum s-a discutat în această pagină la „Codificare diferențială”, punerea în funcție obișnuită a schimbării de faze nu poate fi utilizată în sisteme care sunt supuse unor diferențe de fază imprevizibile între emițător și receptor. 

De exemplu, dacă semnalul de referință al receptorului este de 90 ° în faza cu suportul emițătorului, diferența de fază între referință și semnalul BPSK va fi întotdeauna 90 °, iar cos (90 °) este 0. Astfel, decalarea DC este pierdut, iar sistemul este complet nefuncțional.

Acest lucru poate fi confirmat prin schimbarea fazei sursei V4 la 90 °; iata rezultatul:

Rezumat
* Demodularea digitală necesită sincronizare pe perioade de biți; receptorul trebuie să poată identifica limitele dintre simbolurile adiacente.

* Semnalele binare cu schimbare în fază pot fi demodulate prin înmulțire urmată de integrare. Semnalul de referință utilizat în etapa de înmulțire are aceeași frecvență cu purtătorul emițătorului.

* Comutarea obișnuită a schimbării de faze este fiabilă numai atunci când faza semnalului de referință al receptorului poate menține sincronizarea cu faza purtătorului emițătorului.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje