Sådan demoduleres digital fasemodulation

Radiofrekvensdemodulation
Lær om, hvordan du udtrækker de originale digitale data fra en faseskift-nøglebølgeform.

På de foregående to sider diskuterede vi systemer til at udføre demodulation af AM- og FM-signaler, der bærer analoge data, såsom (ikke-digitaliseret) lyd. Nu er vi klar til at se på, hvordan man genvinder original information, der er blevet kodet via den tredje generelle type modulering, nemlig fasemodulation.

Analog fasemodulation er dog ikke almindelig, hvorimod digital fasemodulation er meget almindelig. Derfor giver det mere mening at udforske PM-demodulation i forbindelse med digital RF-kommunikation. Vi vil udforske dette emne ved hjælp af binær faseskiftnøgle (BPSK); Det er dog godt at være opmærksom på, at quadrature phase shift keying (QPSK) er mere relevant for moderne trådløse systemer.

Som navnet antyder, repræsenterer binær faseforskydningstastning digitale data ved at tildele en fase til binær 0 og en anden fase til binær 1. De to faser er adskilt med 180° for at optimere demodulationsnøjagtigheden – mere adskillelse mellem de to faseværdier gør det nemmere at afkode symbolerne.

Multiplicer og integrer - og synkroniser
En BPSK-demodulator består primært af to funktionelle blokke: en multiplikator og en integrator. Disse to komponenter vil producere et signal, der svarer til de originale binære data. Synkroniseringskredsløb er dog også nødvendigt, fordi modtageren skal være i stand til at identificere grænsen mellem bitperioder. Dette er en vigtig forskel mellem analog demodulation og digital demodulation, så lad os se nærmere.

 

I analog demodulation har signalet ikke rigtig en begyndelse eller en ende. Forestil dig en FM-sender, der udsender et lydsignal, dvs. et signal, der konstant varierer alt efter musikken. Forestil dig nu en FM-modtager, der først er slukket. 

Brugeren kan tænde for modtageren på et hvilket som helst tidspunkt, og demodulationskredsløbet vil begynde at udtrække lydsignalet fra den modulerede bærebølge. Det udtrukne signal kan forstærkes og sendes til en højttaler, og musikken vil lyde normalt. 

Receiveren har ingen idé om, om lydsignalet repræsenterer begyndelsen eller slutningen af ​​en sang, eller om demodulationskredsløbet begynder at fungere i begyndelsen af ​​en takt, eller lige på beatet eller mellem to beats. Det er lige meget; hver øjeblikkelig spændingsværdi svarer til et nøjagtigt øjeblik i lydsignalet, og lyden genskabes, når alle disse øjeblikkelige værdier forekommer i rækkefølge.

Med digital modulering er situationen en helt anden. Vi har ikke at gøre med øjeblikkelige amplituder, men snarere en sekvens af amplituder, der repræsenterer én diskret information, nemlig et tal (én eller nul). 

Hver sekvens af amplituder – kaldet et symbol, med en varighed lig med én bitperiode – skal skelnes fra de foregående og følgende sekvenser: Hvis tv-selskabet (fra ovenstående eksempel) brugte digital modulation og modtageren tændte og begyndte at demodulere på et tilfældigt tidspunkt, hvad ville der så ske? 

Nå, hvis modtageren tilfældigvis begyndte at demodulere midt i et symbol, ville den prøve at fortolke halvdelen af ​​et symbol og halvdelen af ​​det følgende symbol. Dette ville naturligvis føre til fejl; et logisk-et-symbol efterfulgt af et logisk-nul-symbol ville have lige stor chance for at blive fortolket som et et eller et nul.

Det er derfor klart, at synkronisering skal være en prioritet i ethvert digitalt RF-system. En ligetil tilgang til synkronisering er at foran hver pakke med en foruddefineret "træningssekvens" bestående af skiftende nul-symboler og ét-symboler (som i ovenstående diagram). Modtageren kan bruge disse en-nul-en-nul overgange til at identificere den tidsmæssige grænse mellem symboler, og så kan resten af ​​symbolerne i pakken fortolkes korrekt ved blot at anvende systemets foruddefinerede symbolvarighed.

Effekten af ​​multiplikation
Som nævnt ovenfor er et grundlæggende trin i PSK-demodulation multiplikation. Mere specifikt multiplicerer vi et indkommende BPSK-signal med et referencesignal med frekvens lig med bærefrekvensen. Hvad udretter dette? Lad os se på matematikken; først identificerer produktet for to sinusfunktioner:

 

Hvis vi omdanner disse generiske sinusfunktioner til signaler med en frekvens og fase, har vi følgende:

Forenklet har vi:

Så når vi multiplicerer to sinusoider med samme frekvens, men forskellig fase, er resultatet en sinusoid med dobbelt frekvens plus en offset, der afhænger af forskellen mellem de to faser. 

Forskydningen er nøglen: Hvis fasen af ​​det modtagne signal er lig med fasen af ​​referencesignalet, har vi cos(0°), som er lig med 1. Hvis fasen af ​​det modtagne signal er 180° forskellig fra fasen af ​​referencesignalet, har vi cos(180°), som er –1. Multiplikatorens output vil således have en positiv DC offset for en af ​​de binære værdier og en negativ DC offset for den anden binære værdi. Denne offset kan bruges til at fortolke hvert symbol som et nul eller et.

Simuleringsbekræftelse
Følgende BPSK-modulations- og demodulationskredsløb viser dig, hvordan du kan oprette et BPSK-signal i LTspice:

To sinuskilder (en med fase = 0° og en med fase = 180°) er forbundet til to spændingsstyrede afbrydere. Begge kontakter har det samme firkantbølge-styresignal, og tænd- og sluk-modstandene er konfigureret således, at den ene er åben, mens den anden er lukket. "Output" terminalerne på de to switches er bundet sammen, og op-amp buffer buffer det resulterende signal, som ser sådan ud:




Dernæst har vi en referencesinus (V4) med frekvens lig med frekvensen af ​​BPSK-bølgeformen, og så bruger vi en vilkårlig adfærdsspændingskilde til at multiplicere BPSK-signalet med referencesignalet. Her er resultatet:




Som du kan se, er det demodulerede signal det dobbelte af frekvensen af ​​det modtagne signal, og det har en positiv eller negativ DC-offset i henhold til fasen af ​​hvert symbol. Hvis vi så integrerer dette signal med hensyn til hver bitperiode, vil vi have et digitalt signal, der svarer til de oprindelige data.

Sammenhængende detektion
I dette eksempel er fasen af ​​modtagerens referencesignal synkroniseret med fasen af ​​det indkommende modulerede signal. Dette opnås nemt i en simulering; det er betydeligt sværere i det virkelige liv. Som diskuteret på denne side under "Differentiel kodning", kan almindelig faseskift-tastning desuden ikke bruges i systemer, der er underlagt uforudsigelige faseforskelle mellem sender og modtager. 

For eksempel, hvis modtagerens referencesignal er 90° ude af fase med senderens bærebølge, vil faseforskellen mellem referencen og BPSK-signalet altid være 90°, og cos(90°) er 0. Dermed er DC offset tabt, og systemet er fuldstændig ude af funktion.

Dette kan bekræftes ved at ændre V4-kildens fase til 90°; her er resultatet:

Resumé
*Digital demodulation kræver bit-periode-synkronisering; modtageren skal være i stand til at identificere grænserne mellem tilstødende symboler.

*Binær-faseskift-nøglesignaler kan demoduleres via multiplikation efterfulgt af integration. Referencesignalet brugt i multiplikationstrinnet har samme frekvens som senderens bærebølge.

*Almindelig faseskift-tastning er kun pålidelig, når fasen af ​​modtagerens referencesignal kan opretholde synkronisering med fasen af ​​senderens bærebølge.

Læg en besked 

Message List