Cara Menurunkan Modulasi Fasa Digital

Demodulasi Frekuensi Radio
Ketahui tentang cara mengekstrak data digital asal dari bentuk gelombang kefasa-shift-keying.

Dalam dua halaman sebelumnya kami membincangkan sistem untuk melakukan demodulasi isyarat AM dan FM yang membawa data analog, seperti audio (tidak didigitalkan). Sekarang kita sudah bersedia untuk melihat bagaimana memulihkan maklumat asal yang telah dikodkan melalui modulasi jenis umum ketiga, iaitu modulasi fasa.

Walau bagaimanapun, modulasi fasa analog tidak biasa, sedangkan modulasi fasa digital sangat biasa. Oleh itu, lebih masuk akal untuk meneroka demodulasi PM dalam konteks komunikasi RF digital. Kami akan meneroka topik ini dengan menggunakan peralihan fasa binari (BPSK); namun, ada baiknya kita menyedari bahawa peralihan fasa kuadratur (QPSK) lebih relevan dengan sistem wayarles moden.

Seperti namanya, peralihan fasa binari mewakili data digital dengan menetapkan satu fasa ke binari 0 dan fasa yang berbeza ke binari 1. Kedua fasa dipisahkan oleh 180 ° untuk mengoptimumkan ketepatan demodulasi - lebih banyak pemisahan antara nilai dua fasa menjadikannya lebih mudah untuk menyahkod simbol.

Gandakan dan Gabungkan — dan Segerakkan
Demodulator BPSK terdiri daripada dua blok fungsi: pengganda dan penyepadu. Kedua-dua komponen ini akan menghasilkan isyarat yang sesuai dengan data binari yang asal. Walau bagaimanapun, litar penyegerakan juga diperlukan, kerana penerima mesti dapat mengenal pasti batas antara tempoh bit. Ini adalah perbezaan penting antara demodulasi analog dan demodulasi digital, jadi mari kita lihat lebih dekat.

 

Dalam demodulasi analog, isyarat tidak benar-benar mempunyai permulaan atau akhir. Bayangkan pemancar FM yang menyiarkan isyarat audio, iaitu isyarat yang terus berubah mengikut muzik. Sekarang bayangkan penerima FM yang pada mulanya dimatikan. 

Pengguna dapat menghidupkan penerima pada bila-bila masa, dan litar demodulasi akan mula mengeluarkan isyarat audio dari pembawa modulasi. Isyarat yang diekstrak dapat diperkuat dan dikirim ke pembesar suara, dan muziknya akan terdengar normal. 

Penerima tidak tahu sama ada isyarat audio mewakili awal atau akhir lagu, atau jika litar demodulasi mula berfungsi pada awal ukuran, atau tepat pada rentak, atau di antara dua denyut. Tidak menjadi masalah; setiap nilai voltan sesaat sepadan dengan satu momen tepat dalam isyarat audio, dan suara dibuat semula apabila semua nilai sesaat ini berlaku secara berturut-turut.

Dengan modulasi digital, keadaannya sama sekali berbeza. Kami tidak berurusan dengan amplitud sesaat melainkan urutan amplitud yang mewakili satu maklumat yang diskrit, iaitu nombor (satu atau sifar). 

Setiap urutan amplitud - disebut simbol, dengan durasi sama dengan satu bit tempoh - mesti dibezakan dari urutan sebelumnya dan berikut: Sekiranya penyiar (dari contoh di atas) menggunakan modulasi digital dan penerima dihidupkan dan mula melakukan demodulasi pada titik masa yang rawak, apa yang akan berlaku? 

Jika penerima mula demodulasi di tengah simbol, ia akan cuba menafsirkan setengah dari satu simbol dan separuh dari simbol berikut. Ini tentu saja akan menyebabkan kesilapan; simbol logik-satu diikuti dengan simbol logik-sifar mempunyai peluang yang sama untuk ditafsirkan sebagai satu atau sifar.

Oleh itu, jelas bahawa penyegerakan mesti menjadi keutamaan dalam sistem RF digital apa pun. Satu pendekatan langsung untuk penyegerakan adalah mendahului setiap paket dengan "urutan latihan" yang telah ditentukan yang terdiri daripada simbol sifar bergantian dan satu simbol (seperti dalam rajah di atas). Penerima boleh menggunakan peralihan satu-sifar-satu-sifar ini untuk mengenal pasti sempadan temporal antara simbol, dan kemudian simbol-simbol lain di dalam paket dapat ditafsirkan dengan betul hanya dengan menerapkan jangka masa simbol yang telah ditentukan sistem.

Kesan Pendaraban
Seperti disebutkan di atas, langkah mendasar dalam demodulasi PSK adalah pendaraban. Lebih khusus lagi, kita mengalikan isyarat BPSK yang masuk dengan isyarat rujukan dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi pembawa. Apa yang dicapai ini? Mari lihat matematik; pertama, produk mengenal pasti dua fungsi sinus:

 

Sekiranya kita mengubah fungsi sinus generik ini menjadi isyarat dengan frekuensi dan fasa, kita mempunyai yang berikut:

Memudahkan, kami mempunyai:

Oleh itu, apabila kita memperbanyak dua sinusoid dengan frekuensi yang sama tetapi fasa yang berbeza, hasilnya adalah sinusoid dua kali ganda frekuensi ditambah dengan ofset yang bergantung pada perbezaan antara dua fasa tersebut. 

Offset adalah kuncinya: Sekiranya fasa isyarat yang diterima sama dengan fasa isyarat rujukan, kita mempunyai cos (0 °), yang sama dengan 1. Sekiranya fasa isyarat yang diterima adalah 180 ° berbeza dari fasa isyarat rujukan, kita mempunyai cos (180 °), iaitu –1. Oleh itu, output pengganda akan mempunyai ofset DC positif untuk salah satu nilai binari dan ofset DC negatif untuk nilai binari yang lain. Offset ini boleh digunakan untuk menafsirkan setiap simbol sebagai sifar atau satu.

Pengesahan Simulasi
Litar modulasi-dan-demodulasi BPSK berikut menunjukkan kepada anda bagaimana anda boleh membuat isyarat BPSK di LTspice:

Dua sumber sinus (satu dengan fasa = 0 ° dan satu dengan fasa = 180 °) disambungkan ke dua suis terkawal voltan. Kedua-dua suis mempunyai isyarat kawalan gelombang persegi yang sama, dan rintangan hidup dan mati dikonfigurasikan sehingga satu terbuka sementara yang lain ditutup. Terminal "output" dari dua suis diikat bersama, dan op-amp menyekat isyarat yang dihasilkan, yang kelihatan seperti ini:




Seterusnya, kita mempunyai sinusoid rujukan (V4) dengan frekuensi sama dengan frekuensi bentuk gelombang BPSK, dan kemudian kita menggunakan sumber voltan tingkah laku sewenang-wenangnya untuk mengalikan isyarat BPSK dengan isyarat rujukan. Inilah hasilnya:




Seperti yang anda lihat, sinyal demodulasi adalah dua kali ganda frekuensi isyarat yang diterima, dan ia mempunyai offset DC positif atau negatif mengikut fasa setiap simbol. Sekiranya kita mengintegrasikan isyarat ini berkenaan dengan setiap tempoh bit, kita akan mempunyai isyarat digital yang sesuai dengan data asal.

Pengesanan Koheren
Dalam contoh ini, fasa isyarat rujukan penerima diselaraskan dengan fasa isyarat termodulasi masuk. Ini dapat dicapai dengan mudah dalam simulasi; jauh lebih sukar dalam kehidupan sebenar. Lebih jauh lagi, seperti yang dibahas di halaman ini di bawah "Pengekodan Berbeza," kunci pergeseran fasa biasa tidak dapat digunakan dalam sistem yang mengalami perbezaan fasa yang tidak dapat diramalkan antara pemancar dan penerima. 

Contohnya, jika isyarat rujukan penerima 90 ° keluar dari fasa dengan pembawa pemancar, perbezaan fasa antara rujukan dan isyarat BPSK akan selalu 90 °, dan cos (90 °) adalah 0. Oleh itu, offset DC adalah hilang, dan sistem ini sama sekali tidak berfungsi.

Ini dapat disahkan dengan mengubah fasa sumber V4 menjadi 90 °; inilah hasilnya:

Ringkasan
* Demodulasi digital memerlukan penyegerakan tempoh bit; penerima mesti dapat mengenal pasti sempadan antara simbol bersebelahan.

* Isyarat pemindaian fasa-binari dapat didemodulasi melalui pendaraban diikuti dengan penyatuan. Isyarat rujukan yang digunakan dalam langkah pendaraban mempunyai frekuensi yang sama dengan pembawa pemancar.

* Fasa-shift-keying biasa hanya boleh dipercayai apabila fasa isyarat rujukan penerima dapat mengekalkan penyegerakan dengan fasa pembawa pemancar.

Tinggalkan pesanan 

Senarai mesej