Hoe digitale fasemodulatie te demoduleren

Demodulatie van radiofrequenties
Leer hoe u de originele digitale gegevens kunt extraheren uit een phase-shift-keying golfvorm.

Op de vorige twee pagina's hebben we systemen besproken voor het uitvoeren van demodulatie van AM- en FM-signalen die analoge gegevens bevatten, zoals (niet-gedigitaliseerde) audio. Nu zijn we klaar om te kijken hoe we originele informatie kunnen herstellen die is gecodeerd via het derde algemene type modulatie, namelijk fasemodulatie.

Analoge fasemodulatie is echter niet gebruikelijk, terwijl digitale fasemodulatie heel gebruikelijk is. Het is dus logischer om PM-demodulatie te onderzoeken in de context van digitale RF-communicatie. We zullen dit onderwerp verkennen met behulp van binaire faseverschuivingssleutels (BPSK); het is echter goed om te weten dat quadrature phase shift keying (QPSK) relevanter is voor moderne draadloze systemen.

Zoals de naam al aangeeft, vertegenwoordigt binaire faseverschuivingssleuteling digitale gegevens door één fase toe te wijzen aan binair 0 en een andere fase aan binair 1. De twee fasen zijn 180 ° van elkaar gescheiden om de demodulatienauwkeurigheid te optimaliseren - meer scheiding tussen de twee fasewaarden maakt het gemakkelijker om de symbolen te decoderen.

Vermenigvuldigen en integreren - en synchroniseren
Een BPSK-demodulator bestaat voornamelijk uit twee functionele blokken: een vermenigvuldiger en een integrator. Deze twee componenten produceren een signaal dat overeenkomt met de oorspronkelijke binaire gegevens. Er is echter ook synchronisatieschakeling nodig, omdat de ontvanger de grens tussen bitperiodes moet kunnen identificeren. Dit is een belangrijk verschil tussen analoge demodulatie en digitale demodulatie, dus laten we het eens van dichterbij bekijken.

 

Bij analoge demodulatie heeft het signaal niet echt een begin of een einde. Stel je een FM-zender voor die een audiosignaal uitzendt, dat wil zeggen een signaal dat continu varieert naargelang de muziek. Stel je nu een FM-ontvanger voor die aanvankelijk is uitgeschakeld. 

De gebruiker kan de ontvanger op elk moment inschakelen en het demodulatiecircuit begint het audiosignaal uit de gemoduleerde draaggolf te extraheren. Het geëxtraheerde signaal kan worden versterkt en naar een luidspreker worden gestuurd, en de muziek klinkt normaal. 

De ontvanger heeft geen idee of het audiosignaal het begin of einde van een nummer vertegenwoordigt, of dat het demodulatiecircuit begint te werken aan het begin van een maat, of precies op de tel, of tussen twee tellen in. Het maakt niet uit; elke momentane spanningswaarde komt overeen met één exact moment in het audiosignaal, en het geluid wordt opnieuw gecreëerd wanneer al deze momentane waarden achter elkaar optreden.

Met digitale modulatie is de situatie compleet anders. We hebben niet te maken met ogenblikkelijke amplituden, maar eerder met een reeks amplitudes die één afzonderlijk stuk informatie vertegenwoordigen, namelijk een getal (één of nul). 

Elke reeks amplitudes - een symbool genaamd, met een duur gelijk aan één bitperiode - moet worden onderscheiden van de voorgaande en volgende reeksen: Als de uitzender (uit het bovenstaande voorbeeld) digitale modulatie gebruikte en de ontvanger werd ingeschakeld en begon te demoduleren op een willekeurig tijdstip, wat zou er gebeuren? 

Welnu, als de ontvanger in het midden van een symbool begon te demoduleren, zou hij proberen de helft van één symbool en de helft van het volgende symbool te interpreteren. Dit zou natuurlijk tot fouten leiden; een logic-one-symbool gevolgd door een logic-zero-symbool zou een gelijke kans hebben om te worden geïnterpreteerd als een een of een nul.

Het is dus duidelijk dat synchronisatie een prioriteit moet zijn in elk digitaal RF-systeem. Een eenvoudige benadering van synchronisatie is om elk pakket vooraf te laten gaan met een vooraf gedefinieerde "trainingsreeks" bestaande uit afwisselend nulsymbolen en één symbool (zoals in het bovenstaande diagram). De ontvanger kan deze overgangen van één-nul-één-nul gebruiken om de temporele grens tussen symbolen te identificeren, en vervolgens kan de rest van de symbolen in het pakket eenvoudig worden geïnterpreteerd door de vooraf gedefinieerde symboolduur van het systeem toe te passen.

Het effect van vermenigvuldiging
Zoals hierboven vermeld, is vermenigvuldiging een fundamentele stap in PSK-demodulatie. Meer specifiek vermenigvuldigen we een inkomend BPSK-signaal met een referentiesignaal met een frequentie gelijk aan de draaggolffrequentie. Wat levert dit op? Laten we eens kijken naar de wiskunde; eerst identificeert het product voor twee sinusfuncties:

 

Als we deze generieke sinusfuncties omzetten in signalen met een frequentie en fase, hebben we het volgende:

Vereenvoudigend hebben we:

Dus als we twee sinusoïden met dezelfde frequentie maar een verschillende fase vermenigvuldigen, is het resultaat een sinusoïde met een dubbele frequentie plus een offset die afhangt van het verschil tussen de twee fasen. 

De offset is de sleutel: als de fase van het ontvangen signaal gelijk is aan de fase van het referentiesignaal, hebben we cos (0 °), wat gelijk is aan 1. Als de fase van het ontvangen signaal 180 ° verschilt van de fase van het referentiesignaal, we hebben cos (180 °), wat –1 is. De uitvoer van de vermenigvuldiger heeft dus een positieve DC-offset voor een van de binaire waarden en een negatieve DC-offset voor de andere binaire waarde. Deze offset kan worden gebruikt om elk symbool te interpreteren als een nul of een.

Bevestiging van simulatie
Het volgende BPSK-modulatie- en demodulatiecircuit laat zien hoe je een BPSK-signaal kunt creëren in LTspice:

Twee sinusbronnen (één met fase = 0 ° en één met fase = 180 °) zijn aangesloten op twee spanningsgestuurde schakelaars. Beide schakelaars hebben hetzelfde blokgolfbesturingssignaal en de aan- en uitweerstanden zijn zo geconfigureerd dat de ene open is terwijl de andere gesloten is. De "output" -aansluitingen van de twee schakelaars zijn met elkaar verbonden en de op-amp buffert het resulterende signaal, dat er als volgt uitziet:




Vervolgens hebben we een referentiesinusoïde (V4) met een frequentie gelijk aan de frequentie van de BPSK-golfvorm, en dan gebruiken we een willekeurige gedragsspanningsbron om het BPSK-signaal te vermenigvuldigen met het referentiesignaal. Dit is het resultaat:




Zoals u kunt zien, is het gedemoduleerde signaal het dubbele van de frequentie van het ontvangen signaal en heeft het een positieve of negatieve DC-offset volgens de fase van elk symbool. Als we dit signaal vervolgens voor elke bitperiode integreren, hebben we een digitaal signaal dat overeenkomt met de oorspronkelijke gegevens.

Coherente detectie
In dit voorbeeld wordt de fase van het referentiesignaal van de ontvanger gesynchroniseerd met de fase van het binnenkomende gemoduleerde signaal. Dit is gemakkelijk te bereiken in een simulatie; in het echt is het aanzienlijk moeilijker. Bovendien, zoals besproken op deze pagina onder "Differentiële codering", kan gewone faseverschuivingssleuteling niet worden gebruikt in systemen die onderhevig zijn aan onvoorspelbare faseverschillen tussen zender en ontvanger. 

Als het referentiesignaal van de ontvanger bijvoorbeeld 90 ° uit fase is met de drager van de zender, zal het faseverschil tussen de referentie en het BPSK-signaal altijd 90 ° zijn en cos (90 °) 0. Dus de DC-offset is verloren en het systeem is volledig niet functioneel.

Dit kan worden bevestigd door de fase van de V4-bron te wijzigen in 90 °; hier is het resultaat:

Samengevat
* Digitale demodulatie vereist synchronisatie van de bitperiode; de ontvanger moet de grenzen tussen aangrenzende symbolen kunnen identificeren.

* Binaire-fase-shift-keying-signalen kunnen worden gedemoduleerd via vermenigvuldiging gevolgd door integratie. Het referentiesignaal dat in de vermenigvuldigingsstap wordt gebruikt, heeft dezelfde frequentie als de drager van de zender.

* Gewone phase-shift-keying is alleen betrouwbaar wanneer de fase van het referentiesignaal van de ontvanger synchroon kan blijven met de fase van de drager van de zender.

Laat een bericht achter 

Message List