Kuinka demoduloida digitaalivaihemodulaatio

Radiotaajuuden demodulointi
Opi kuinka alkuperäisen digitaalisen tiedon poimiminen vaihesiirtoavainnollisesta aaltomuodosta.

Kahdella edellisellä sivulla keskustelimme järjestelmistä AM- ja FM-signaalien demoduloimiseksi, jotka sisältävät analogista dataa, kuten (digitalisoimaton) ääni. Nyt olemme valmiita tutkimaan, kuinka palauttaa alkuperäinen tieto, joka on koodattu kolmannen yleisen modulaatiotyypin, nimittäin vaihemodulaation, kautta.

Analoginen vaihemodulaatio ei kuitenkaan ole yleistä, kun taas digitaalinen vaihemodulaatio on hyvin yleistä. Siksi on järkevämpää tutkia PM-demodulointia digitaalisen RF-viestinnän yhteydessä. Tutkimme tätä aihetta käyttämällä binaarista vaihesiirtoavainta (BPSK); on kuitenkin hyvä tietää, että kvadratuurivaihesiirtoavainnus (QPSK) on osuvampi nykyaikaisiin langattomiin järjestelmiin.

Kuten nimestä voi päätellä, binaarinen vaihesiirtoavain edustaa digitaalista dataa määrittämällä yksi vaihe binaarille 0 ja toinen vaihe binaarille 1. Kaksi vaihetta erotetaan 180 °: lla demodulointitarkkuuden optimoimiseksi - kahden vaihearvon erottaminen helpottaa dekoodata symbolit.

Kerro ja integroi - ja synkronoi
BPSK-demodulaattori koostuu pääasiassa kahdesta toiminnallisesta lohkosta: kertoja ja integraattori. Nämä kaksi komponenttia tuottavat signaalin, joka vastaa alkuperäistä binaaridataa. Synkronointipiirejä tarvitaan kuitenkin myös, koska vastaanottimen on kyettävä tunnistamaan raja bittijaksojen välillä. Tämä on tärkeä ero analogisen ja digitaalisen demoduloinnin välillä, joten katsotaanpa tarkemmin.

 

Analogisessa demoduloinnissa signaalilla ei oikeastaan ​​ole alkua tai loppua. Kuvittele FM-lähetin, joka lähettää äänisignaalia, ts. Signaalia, joka vaihtelee jatkuvasti musiikin mukaan. Kuvittele nyt FM-vastaanotin, joka on alun perin kytketty pois päältä. 

Käyttäjä voi käynnistää viritinvahvistimen milloin tahansa, ja demodulointipiirit alkavat poimia audiosignaalin moduloidulta kantoaallolta. Poimittu signaali voidaan vahvistaa ja lähettää kaiuttimelle, ja musiikki kuulostaa normaalilta. 

Vastaanottimella ei ole aavistustakaan, edustaako audiosignaali kappaleen alkua tai loppua, vai jos demodulointipiiri alkaa toimia mittauksen alussa tai oikeassa rytmissä tai kahden rytmin välillä. Sillä ei ole merkitystä; kukin hetkellinen jännitearvo vastaa yhtä tarkkaa hetkeä audiosignaalissa, ja ääni luodaan uudelleen, kun kaikki nämä hetkelliset arvot esiintyvät peräkkäin.

Digitaalisella modulaatiolla tilanne on täysin erilainen. Emme ole tekemisissä hetkellisten amplitudien kanssa, vaan pikemminkin amplitudijakso, joka edustaa yhtä erillistä informaatiota, nimittäin lukua (yksi tai nolla). 

Jokainen amplitudijakso - kutsutaan symboliksi, jonka kesto on yhtä bittijaksoa - on erotettava edeltävistä ja seuraavista sekvensseistä: Jos lähetystoiminnan harjoittaja (yllä olevasta esimerkistä) käytti digitaalista modulaatiota ja vastaanotin käynnistyi ja aloitti demoduloinnin satunnainen ajankohta, mitä tapahtuisi? 

No, jos vastaanotin sattui aloittamaan demoduloinnin symbolin keskellä, se yrittäisi tulkita puolet yhdestä symbolista ja puolet seuraavasta symbolista. Tämä johtaisi tietysti virheisiin; logiikka-yhdellä symbolilla, jota seuraa logiikka-nolla-symbolilla, olisi yhtä suuri mahdollisuus tulkita yhdeksi tai nollaksi.

On selvää, että synkronoinnin on oltava etusijalla kaikissa digitaalisissa RF-järjestelmissä. Yksi suoraviivainen lähestymistapa synkronointiin on edeltää kutakin pakettia ennalta määritellyllä ”harjoitussekvenssillä”, joka koostuu vuorottelevista nollasymboleista ja yhdestä symbolista (kuten yllä olevassa kaaviossa). Vastaanottaja voi käyttää näitä nolla-yksi-nolla-siirtymiä tunnistaakseen symbolien välisen ajallisen rajan, ja sitten paketin loput symbolit voidaan tulkita oikein yksinkertaisesti soveltamalla järjestelmän ennalta määrättyä symbolien kestoa.

Kertolaskun vaikutus
Kuten edellä mainittiin, PSK-demoduloinnin perustavanlaatuinen vaihe on kertolasku. Tarkemmin sanoen, kerrotaan saapuva BPSK-signaali referenssisignaalilla, jonka taajuus on yhtä suuri kuin kantoaaltotaajuus. Mitä tämä saavuttaa? Katsotaanpa matematiikkaa; ensinnäkin tuote tunnistaa kaksi sinimuotoisuutta:

 

Jos muutamme nämä yleiset sinifunktiot signaaleiksi taajuudella ja vaiheella, meillä on seuraavat:

Yksinkertaistaen, meillä on:

Joten kun kerrotaan kaksi saman taajuuden, mutta eri vaiheen sinusoidia, tulos on kaksinkertaisen taajuuden sinusoidi plus poikkeama, joka riippuu kahden vaiheen välisestä erotuksesta. 

Siirtymä on avain: Jos vastaanotetun signaalin vaihe on yhtä suuri kuin vertailusignaalin vaihe, meillä on cos (0 °), joka on yhtä suuri kuin 1. Jos vastaanotetun signaalin vaihe on 180 ° erilainen kuin referenssisignaali, meillä on cos (180 °), joka on –1. Siten kertoimen ulostulolla on positiivinen DC-siirto yhdelle binaariarvoista ja negatiivinen DC-siirto toiselle binaariarvolle. Tätä siirtymää voidaan käyttää tulkitsemaan jokainen symboli nollaksi tai yhdeksi.

Simulaation vahvistus
Seuraava BPSK-modulaatio- ja demodulointipiiri näyttää, kuinka voit luoda BPSK-signaalin LTspice: ssä:

Kaksi sinilähdettä (yksi vaihe = 0 ° ja toinen vaihe = 180 °) on kytketty kahteen jänniteohjattuun kytkimeen. Molemmilla kytkimillä on sama neliöaalto-ohjaussignaali, ja päälle- ja pois-vastukset on konfiguroitu siten, että yksi on auki, kun taas toinen on kiinni. Kahden kytkimen "lähtö" -navat on sidottu toisiinsa, ja op-amp-puskuri puskuroi tuloksena olevan signaalin, joka näyttää tältä:




Seuraavaksi meillä on vertailususoidi (V4), jonka taajuus on yhtä suuri kuin BPSK-aaltomuodon taajuus, ja sitten käytämme mielivaltaista käyttäytymisjännitelähdettä kertomaan BPSK-signaali referenssisignaalilla. Tässä on tulos:




Kuten näette, demoduloitu signaali on kaksinkertainen vastaanotetun signaalin taajuuteen ja sillä on positiivinen tai negatiivinen DC-siirto kunkin symbolin vaiheen mukaan. Jos integroimme tämän signaalin jokaiseen bittijaksoon, meillä on digitaalinen signaali, joka vastaa alkuperäistä tietoa.

Johdonmukainen havaitseminen
Tässä esimerkissä vastaanottimen referenssisignaalin vaihe synkronoidaan tulevan moduloidun signaalin vaiheen kanssa. Tämä on helppo suorittaa simulaatiossa; se on huomattavasti vaikeampaa tosielämässä. Lisäksi, kuten selostetaan tällä sivulla kohdassa "Differential Encoding", tavallista vaihesiirtoavainta ei voida käyttää järjestelmissä, joissa lähettimen ja vastaanottimen välillä on odottamattomia vaihe-eroja. 

Esimerkiksi, jos vastaanottimen vertailusignaali on 90 ° epätasainen lähettimen kantajan kanssa, vaihe-ero referenssin ja BPSK-signaalin välillä on aina 90 ° ja cos (90 °) on 0. Näin ollen DC-siirto on kadonnut, ja järjestelmä on täysin toimimaton.

Tämä voidaan vahvistaa muuttamalla V4-lähteen vaihe 90 °: seen; tässä on tulos:

Yhteenveto
* Digitaalinen demodulointi vaatii bittijakson synkronoinnin; vastaanottimen on kyettävä tunnistamaan vierekkäisten symbolien väliset rajat.

* Binaarivaihesiirtoavainnussignaalit voidaan demoduloida kertomalla, jota seuraa integraatio. Kertolaskelmassa käytetyllä vertailusignaalilla on sama taajuus kuin lähettimen kantoaallolla.

* Tavallinen vaihesiirtoavain on luotettava vain silloin, kun vastaanottimen referenssisignaalin vaihe voi pitää synkronoinnin lähettimen kantoaallon vaiheen kanssa.

Jätä viesti 

viestiluettelo