Как демодулировать цифровую фазовую модуляцию

Радиочастотная демодуляция
Узнайте, как извлечь исходные цифровые данные из сигнала фазовой манипуляции.

На предыдущих двух страницах мы обсуждали системы для демодуляции сигналов AM и FM, которые переносят аналоговые данные, такие как (не оцифрованный) звук. Теперь мы готовы посмотреть, как восстановить исходную информацию, которая была закодирована с помощью третьего общего типа модуляции, а именно фазовой модуляции.

Однако аналоговая фазовая модуляция не распространена, тогда как цифровая фазовая модуляция очень распространена. Таким образом, имеет смысл исследовать демодуляцию PM в контексте цифровой радиосвязи. Мы исследуем эту тему, используя двоичную фазовую манипуляцию (BPSK); Тем не менее, полезно знать, что квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) более актуальна для современных беспроводных систем.

Как следует из названия, двоичная фазовая манипуляция представляет цифровые данные, назначая одну фазу двоичному 0 и другую фазу двоичному 1. Две фазы разделены на 180 ° для оптимизации точности демодуляции - большее разделение между двумя значениями фазы облегчает расшифровать символы.

Умножьте и интегрируйте и синхронизируйте
Демодулятор BPSK состоит в основном из двух функциональных блоков: умножителя и интегратора. Эти два компонента будут генерировать сигнал, который соответствует исходным двоичным данным. Однако также необходима схема синхронизации, потому что приемник должен уметь определять границу между битовыми периодами. Это важное различие между аналоговой демодуляцией и цифровой демодуляцией, поэтому давайте рассмотрим подробнее.

 

В аналоговой демодуляции сигнал на самом деле не имеет ни начала, ни конца. Представьте себе FM-передатчик, который передает аудиосигнал, т. Е. Сигнал, который постоянно меняется в зависимости от музыки. Теперь представьте FM-приемник, который изначально выключен. 

Пользователь может включить приемник в любой момент времени, и схема демодуляции начнет извлекать аудиосигнал с модулированной несущей. Извлеченный сигнал можно усилить и отправить на динамик, и музыка будет звучать нормально. 

Приемник не имеет представления, представляет ли аудиосигнал начало или конец песни, или если схема демодуляции начинает функционировать в начале такта, или прямо в такт, или между двумя тактами. Это не имеет значения; Каждое мгновенное значение напряжения соответствует одному точному моменту в звуковом сигнале, и звук воссоздается, когда все эти мгновенные значения появляются последовательно.

С цифровой модуляцией ситуация совершенно иная. Мы имеем дело не с мгновенными амплитудами, а с последовательностью амплитуд, которая представляет один дискретный фрагмент информации, а именно число (один или ноль). 

Каждую последовательность амплитуд, называемую символом, с длительностью, равной одному битовому периоду, следует отличать от предыдущей и следующих последовательностей: если вещатель (из вышеприведенного примера) использовал цифровую модуляцию, а приемник включился и начал демодуляцию в случайный момент времени, что произойдет? 

Что ж, если получателю случится начать демодуляцию в середине символа, он попытается интерпретировать половину одного символа и половину следующего символа. Это, конечно, приведет к ошибкам; Символ логики один, за которым следует символ логического нуля, будет иметь равную вероятность того, что его интерпретируют как единицу или ноль.

Очевидно, что синхронизация должна быть приоритетом в любой цифровой радиочастотной системе. Один простой подход к синхронизации состоит в том, чтобы каждому пакету предшествовать предварительно определенной «обучающей последовательности», состоящей из чередующихся нулевых символов и одного символа (как на приведенной выше диаграмме). Приемник может использовать эти переходы один ноль-один-ноль, чтобы идентифицировать временную границу между символами, и тогда остальные символы в пакете могут интерпретироваться должным образом, просто применяя предопределенную длительность символа системы.

Эффект умножения
Как упомянуто выше, основным шагом в демодуляции PSK является умножение. Более конкретно, мы умножаем входящий сигнал BPSK на опорный сигнал с частотой, равной несущей частоте. Что это делает? Давайте посмотрим на математику; во-первых, продукт идентифицируют для двух синусоидальных функций:

 

Если мы превратим эти общие функции синуса в сигналы с частотой и фазой, мы получим следующее:

Упрощая, мы имеем:

Поэтому, когда мы умножаем две синусоиды одинаковой частоты, но разной фазы, в результате получается синусоида двойной частоты плюс смещение, которое зависит от разности двух фаз. 

Смещения является ключевым: Если фаза принимаемого сигнала равна фазой опорного сигнала, мы имеем Cos (0 °), который равен 1. Если фаза принимаемого сигнала равна 180 ° отличается от фазы Опорный сигнал, у нас есть cos (180 °), что составляет –1. Таким образом, выход умножителя будет иметь положительное смещение постоянного тока для одного из двоичных значений и отрицательное смещение постоянного тока для другого двоичного значения. Это смещение может использоваться для интерпретации каждого символа как ноль или единица.

Подтверждение моделирования
Следующая схема модуляции и демодуляции BPSK показывает, как можно создать сигнал BPSK в LTspice:

Два синусоидальных источника (один с фазой = 0 ° и один с фазой = 180 °) подключены к двум управляемым напряжением переключателям. Оба переключателя имеют одинаковый прямоугольный управляющий сигнал, а сопротивления включения и выключения настроены таким образом, что один разомкнут, а другой замкнут. «Выходные» клеммы двух коммутаторов связаны между собой, и операционный усилитель буферизует результирующий сигнал, который выглядит следующим образом:




Затем у нас есть эталонная синусоида (V4) с частотой, равной частоте сигнала BPSK, и затем мы используем произвольный источник поведенческого напряжения для умножения сигнала BPSK на опорный сигнал. Вот результат:




Как вы можете видеть, демодулированный сигнал в два раза превышает частоту принимаемого сигнала и имеет положительное или отрицательное смещение постоянного тока в соответствии с фазой каждого символа. Если мы затем интегрируем этот сигнал относительно каждого битового периода, у нас будет цифровой сигнал, который соответствует исходным данным.

Когерентное обнаружение
В этом примере, фаза опорного сигнала приемника синхронизирована с фазой входного модулированного сигнала. Это легко сделать в симуляции; это значительно сложнее в реальной жизни. Кроме того, как обсуждалось на этой странице в разделе «Дифференциальное кодирование», обычная фазовая манипуляция не может использоваться в системах, которые подвержены непредсказуемым разностям фаз между передатчиком и приемником. 

Например, если опорный сигнал приемника не совпадает по фазе с несущей передатчика на 90 °, разность фаз между опорным сигналом и сигналом BPSK всегда будет 90 °, а cos (90 °) равна 0. Таким образом, смещение постоянного тока равно потерян, и система полностью нефункциональна.

Это можно подтвердить, изменив фазу источника V4 на 90 °; вот результат:

Обзор
* Цифровая демодуляция требует синхронизации по битам; получатель должен уметь определять границы между соседними символами.

* Сигналы двоичной фазовой манипуляции могут быть демодулированы с помощью умножения с последующей интеграцией. Опорный сигнал, используемый на этапе умножения, имеет ту же частоту, что и несущая передатчика.

* Обычная фазовая манипуляция-надежен только тогда, когда фаза опорного сигнала приемника может поддерживать синхронизацию с фазой несущего передатчика.

Оставить сообщение 

Список сообщений