Як демодулювати цифрову фазову модуляцію

Радіочастотна демодуляція
Дізнайтеся, як витягти оригінальні цифрові дані з форми хвилі фазового зсуву.

На попередніх двох сторінках ми обговорювали системи для демодуляції сигналів AM та FM, які несуть аналогові дані, такі як (нецифрові) аудіо. Тепер ми готові розглянути, як відновити оригінальну інформацію, кодовану за допомогою третього загального типу модуляції, а саме фазової модуляції.

Однак аналогова фазова модуляція зустрічається нечасто, тоді як цифрова фазова модуляція дуже поширена. Таким чином, має сенс вивчити демодуляцію ПМ в контексті цифрового радіочастотного зв'язку. Ми будемо досліджувати цю тему, використовуючи двійкові клавіші зсуву фаз (BPSK); однак, добре пам’ятати, що квадратура фазового зсуву (QPSK) є більш актуальною для сучасних бездротових систем.

Як випливає з назви, двійкове клавішне зміщення фаз представляє цифрові дані, присвоюючи одну фазу двійковій 0, а іншу фазу - двійковій 1. Дві фази розділені на 180 ° для оптимізації точності демодуляції - більше розділення між двома фазовими значеннями полегшує для декодування символів.

Розмножувати та інтегрувати - та синхронізувати
Демодулятор BPSK складається в основному з двох функціональних блоків: множника та інтегратора. Ці два компоненти вироблятимуть сигнал, який відповідає вихідним двійкових даних. Однак також необхідна схема синхронізації, оскільки приймач повинен мати можливість ідентифікувати межу між бітовими періодами. Це важлива відмінність між аналоговою демодуляцією та цифровою демодуляцією, тому давайте детальніше розглянемо.

 

В аналоговій демодуляції сигнал насправді не має початку або кінця. Уявіть FM-передавач, який транслює звуковий сигнал, тобто сигнал, який постійно змінюється залежно від музики. Тепер уявіть FM-приймач, який спочатку вимкнено. 

Користувач може в будь-який момент ввімкнути живлення приймача, і схема демодуляції почне витягувати звуковий сигнал з модульованого носія. Витягнутий сигнал можна посилити і надіслати динаміку, і музика прозвучить нормально. 

Одержувач не має уявлення, чи звуковий сигнал представляє початок або кінець пісні, або якщо схема демодуляції починає функціонувати на початку вимірювання, або прямо на такт, або між двома ударами. Не має значення; кожне миттєве значення напруги відповідає одному точному моменту звукового сигналу, і звук відтворюється, коли всі ці миттєві значення відбуваються послідовно.

З цифровою модуляцією ситуація зовсім інша. Ми маємо справу не з миттєвими амплітудами, а з послідовністю амплітуд, яка представляє собою один дискретний фрагмент інформації, а саме число (одне або нуль). 

Кожна послідовність амплітуд - називається символом, тривалістю якої дорівнює один бітовий період - повинна відрізнятися від попередньої та наступної послідовностей: Якщо мовник (з наведеного вище прикладу) використовував цифрову модуляцію, а приймач живився і почав демодуляцію на випадковий момент часу, що буде? 

Ну, якби одержувач почав демодуляцію посередині символу, він би намагався інтерпретувати половину одного символу та половину наступного символу. Це, звичайно, призведе до помилок; символ логіки-один, за яким символ логіки-нуля матиме рівний шанс бути інтерпретованим як один чи нуль.

Зрозуміло, тоді синхронізація повинна бути пріоритетною у будь-якій цифровій радіочастотній системі. Один прямолінійний підхід до синхронізації полягає в тому, щоб передувати кожному пакету заздалегідь задану «навчальну послідовність», що складається з чергування нульових символів та одного символу (як на наведеній вище схемі). Одержувач може використовувати ці переходи один-нуль-один-нуль для ідентифікації часової межі між символами, а потім решта символів у пакеті можуть бути інтерпретовані належним чином просто, застосувавши попередньо визначену тривалість символу системи.

Ефект множення
Як було сказано вище, фундаментальним кроком демодуляції PSK є множення. Більш конкретно, ми множимо вхідний сигнал BPSK на опорний сигнал з частотою, рівною несучій частоті. Що це досягає? Подивимось на математику; по-перше, виріб ідентифікується для двох синусоїдних функцій:

 

Якщо ми перетворимо ці загальні синусоїдичні функції в сигнали з частотою і фазою, ми маємо наступне:

Спрощуючи, ми маємо:

Отже, коли ми множимо два синусоїди однакової частоти, але різної фази, то результат - синусоїда, що подвоюється частотою плюс зміщення, що залежить від різниці між двома фазами. 

Зсув є ключовим: Якщо фаза прийнятого сигналу дорівнює фазі опорного сигналу, у нас є cos (0 °), що дорівнює 1. Якщо фаза прийнятого сигналу на 180 ° відрізняється від фази опорним сигналом маємо cos (180 °), що становить –1. Таким чином, вихід множника матиме позитивне зміщення постійного струму для одного з бінарних значень та негативне зміщення постійного струму для іншого двійкового значення. Це зміщення може бути використане для інтерпретації кожного символу як нуля або одиниці.

Підтвердження моделювання
Наступна схема модуляції та демодуляції BPSK показує вам, як можна створити сигнал BPSK в LTspice:

Два синусоїдальних джерела (один з фазою = 0 ° і один з фазою = 180 °) підключені до двох вимикачів, керованих напругою. Обидва перемикачі мають однаковий сигнал управління квадратної хвилі, а опір увімкнення та вимкнення налаштовано таким чином, що один відкритий, а другий закритий. Вихідні клеми двох перемикачів пов'язані між собою, і підсилювач захищає отриманий сигнал, який виглядає приблизно так:




Далі ми маємо опорний синусоїд (V4) з частотою, що дорівнює частоті сигналу BPSK, а потім використовуємо довільне джерело поведінкової напруги для множення сигналу BPSK на опорний сигнал. Ось результат:




Як бачимо, демодульований сигнал вдвічі перевищує частоту прийнятого сигналу, і він має позитивне або негативне зміщення постійного струму відповідно до фази кожного символу. Якщо потім інтегрувати цей сигнал стосовно кожного бітового періоду, у нас з'явиться цифровий сигнал, який відповідає вихідним даним.

Злагоджене виявлення
У цьому прикладі фаза опорного сигналу приймача синхронізується з фазою вхідного модульованого сигналу. Це легко здійснити за допомогою моделювання; у реальному житті це значно складніше. Крім того, як обговорюється на цій сторінці у розділі "Диференціальне кодування", звичайне клавішне зсув фаз не може використовуватися в системах, які мають непередбачувані різниці фаз між передавачем і приймачем. 

Наприклад, якщо опорний сигнал приймача знаходиться на 90 ° поза фазою з носієм передавача, різниця фаз між опорним і сигналом BPSK завжди буде 90 °, а cos (90 °) дорівнює 0. Таким чином, зміщення постійного струму дорівнює втрачено, а система абсолютно не функціонує.

Це можна підтвердити, змінивши фазу джерела V4 на 90 °; ось результат:

Підсумки
* Цифрова демодуляція вимагає синхронізації біт-періоду; приймач повинен бути в змозі визначити межі між суміжними символами.

* Бінарні фазові зсувні клавіші можуть бути демодульовані за допомогою множення з подальшим інтегруванням. Опорний сигнал, що використовується на етапі множення, має ту ж частоту, що і носій передавача.

* Звичайна клавіша зсуву фази є надійною лише тоді, коли фаза опорного сигналу приймача може підтримувати синхронізацію з фазою несучої передавача.

Залишити повідомлення 

список повідомлень