Hogyan lehet bevezetni a digitális fázismodulációt?

Rádiófrekvencia-demoduláció
Tudjon meg többet arról, hogyan lehet kinyerni az eredeti digitális adatokat a fáziseltolódás-kulcsos hullámformaból.

Az előző két oldalon az analóg adatokat, például (nem digitalizált) hangot hordozó AM és FM jelek demodulációjának végrehajtására szolgáló rendszereket tárgyaltunk. Készen állunk arra, hogy megvizsgáljuk, hogyan állíthatjuk elő az eredeti információkat, amelyeket a moduláció harmadik általános típusa, azaz a fázismoduláció kódolt.

Az analóg fázismoduláció azonban nem gyakori, míg a digitális fázismoduláció nagyon gyakori. Ennélfogva sokkal értelmesebb a PM demoduláció feltárása a digitális RF kommunikáció összefüggésében. Ezt a témát bináris fáziseltolásos kulcsok (BPSK) segítségével vizsgáljuk meg; azonban jó tudni, hogy a négyvezetékes fáziseltolásos kulcsok (QPSK) relevánsabbak a modern vezeték nélküli rendszerekben.

Ahogy a neve is sugallja, a bináris fáziseltolásos kulcsok digitális adatokat reprezentálnak, ha egy fázist a bináris 0-hoz, a másik fázist az 1. binárishoz rendelik. A két fázist 180 ° -kal elválasztják a demodulációs pontosság optimalizálása érdekében - a két fázisérték közötti nagyobb elválasztás megkönnyíti a szimbólumok dekódolására.

Szorzás és integrálás - és szinkronizálás
A BPSK demodulátor elsősorban két funkcionális blokkból áll: szorzóból és integrátorból. Ez a két elem olyan jelet fog generálni, amely megfelel az eredeti bináris adatoknak. Szinkronizáló áramkörre is szükség van, mivel a vevőnek képesnek kell lennie azonosítani a bit periodok közötti határot. Ez fontos különbség az analóg demoduláció és a digitális demoduláció között, ezért nézzünk közelebbről.

 

Analóg demoduláció esetén a jelnek valójában nincs eleje vagy vége. Képzeljen el egy FM-adót, amely audio jelet sugároz, azaz olyan jelet, amely folyamatosan változik a zenétől függően. Képzelje el az FM-vevőt, amely eredetileg ki van kapcsolva. 

A felhasználó bármikor bekapcsolhatja a vevőkészüléket, és a demodulációs áramkör megkezdi az audiojel kinyerését a modulált vivőből. Az extrahált jel erősíthető és továbbítható egy hangszóróra, és a zene normálisan hangzik. 

A vevőnek fogalma sincs arról, hogy az audiojel egy dal elejét vagy végét képviseli-e, vagy ha a demodulációs áramkör egy mérés kezdetén, vagy közvetlenül a ritmán, vagy két ütem között működik. Nem számít; minden pillanatnyi feszültségérték megfelel az audiojel egy pontos pillanatának, és a hang újra létrejön, ha ezek a pillanatnyi értékek egymás után fordulnak elő.

A digitális modulációval a helyzet teljesen más. Nem a pillanatnyi amplitúdókkal foglalkozunk, hanem az amplitúdók sorozatával, amely egy diszkrét információt képvisel, nevezetesen egy számot (egy vagy nulla). 

Minden amplitúdó-sorozatot - szimbólumnak nevezett, amelynek időtartama megegyezik egy bit periódussal - meg kell különböztetni az előző és a következő sorozatoktól: Ha a műsorszolgáltató (a fenti példából) digitális modulációt alkalmazott, és a vevő bekapcsolt, és demodulálni kezdett egy véletlen pillanatban, mi történne? 

Nos, ha a vevő véletlenül egy szimbólum közepén kezd demodulálni, akkor megpróbálja értelmezni az egyik szimbólum felét és a következő szimbólum felét. Ez természetesen hibákat eredményezne; egy logikai-egy szimbólum, amelyet egy logikai-nulla szimbólum követ, azonos eséllyel értelmezhető lenne egy vagy nulla.

Nyilvánvaló, hogy a szinkronizálásnak prioritást kell élveznie minden digitális RF rendszerben. A szinkronizálás egy egyszerű megközelítése az, hogy minden csomagot egy előre meghatározott „edzési sorrenddel” megelőzzen, amely váltakozó nulla szimbólumokat és egy szimbólumot tartalmaz (a fenti ábra szerint). A vevő ezeket az egy-nulla-egy-nulla átmeneteket felhasználhatja a szimbólumok közötti időbeli határ azonosítására, majd a csomagban lévő többi szimbólum megfelelően értelmezhető a rendszer előre meghatározott szimbólum-időtartamának alkalmazásával.

A szorzás hatása
Mint fentebb említettük, a PSK demodulációjának alapvető lépése a szorzás. Pontosabban, a bejövő BPSK jelet szorozzuk meg egy referencia jellel, amelynek frekvenciája megegyezik a vivőfrekvenciával. Mit csinál ez? Nézzük meg a matematikát; először: a termék két szinuszfunkciót azonosítja:

 

Ha ezeket az általános szinuszfunkciókat frekvenciával és fázissá vált jelekké alakítjuk, akkor a következők állnak rendelkezésre:

Egyszerűsítve:

Tehát ha két azonos frekvenciájú, de eltérő fázisú szinuszot szorozunk, az eredmény szinuszos kétszeres frekvenciájú plusz eltolással, amely a két fázis közötti különbségtől függ. 

Az eltolás a kulcs: Ha a vett jel fázisa megegyezik a referenciajel fázisával, akkor cos (0 °) -kal egyenlő: 1. Ha a vett jel fázisa 180 ° -kal eltér a a referenciajel, akkor cos (180 °) van, ami –1. Így a szorzó kimenete pozitív DC eltolással rendelkezik az egyik bináris értéknél, és negatív DC eltolással a másik bináris értéknél. Ez az eltolás felhasználható az egyes szimbólumok nullának vagy egynek értelmezésére.

Szimulációs megerősítés
A következő BPSK modulációs és demodulációs áramkör bemutatja, hogyan lehet BPSK jelet létrehozni az LTspice-ben:

Két szinuszforrás (az egyik fázissal = 0 °, a másik fázissal = 180 °) csatlakozik két feszültségvezérelt kapcsolóhoz. Mindkét kapcsolónak azonos négyszöghullámú vezérlőjele van, a be- és kikapcsolási ellenállás úgy van beállítva, hogy az egyik nyitva van, míg a másik zárva van. A két kapcsoló „kimeneti” kivezetései egymáshoz vannak kötve, és az op-amp puffereli a kapott jelet, amely így néz ki:




Ezután van egy referenciaszinusz (V4), amelynek frekvenciája megegyezik a BPSK hullámforma frekvenciájával, majd egy önkényes viselkedési feszültségforrást használunk a BPSK jelnek a referenciajelhez való szorzására. Itt van az eredmény:




Mint láthatja, a demodulált jel kétszerese a vett jel frekvenciájának, és pozitív vagy negatív DC eltolással rendelkezik, az egyes szimbólumok fázisa szerint. Ha ezt a jelet integráljuk az egyes bitszakaszokhoz, akkor az eredeti adatoknak megfelelő digitális jelet kapunk.

Koherens észlelés
Ebben a példában a vevő referenciajelének fázisa szinkronizálva van a bejövő modulált jel fázisával. Ez szimuláción keresztül könnyen megvalósítható; lényegesen nehezebb a valós életben. Ezenkívül, amint azt ezen az oldalon a „Differenciálkódolás” tárgyalja, a szokásos fáziseltolásos kulcsok nem használhatók olyan rendszerekben, amelyek kiszámíthatatlan fáziskülönbségeknek vannak kitéve az adó és a vevő között. 

Például, ha a vevő referenciajele az adó hordozójával 90 ° -kal eltér a fázistól, a referencia és a BPSK jel közötti fáziskülönbség mindig 90 °, cos (90 °) pedig 0. Így a DC eltolás elveszett, és a rendszer teljesen működőképes.

Ezt megerősítheti a V4 forrás fázisának 90 ° -ra történő megváltoztatása; Itt van az eredmény:

Összegzésként
* A digitális demoduláció bit-periódusú szinkronizálást igényel; a vevőnek képesnek kell lennie azonosítani a szomszédos szimbólumok közötti határokat.

* A bináris fázis-shift-kulcsos jelek demodulálhatók szorzás révén, amelyet integráció követ. A szorzási lépésben használt referenciajel azonos frekvenciájú, mint az adó vivője.

* A szokásos fáziseltolásos kulcsok csak akkor megbízhatók, ha a vevő referenciajelének fázisa képes fenntartani a szinkronizációt az adó vivőjének fázisával.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista