Paano Demodulate Digital Phase Modulation

Demodulasyon ng Dalas ng Radyo
Alamin ang tungkol sa kung paano kunin ang orihinal na digital data mula sa isang phase-shift-keying waveform.

Sa nakaraang dalawang pahina tinalakay namin ang mga system para sa pagsasagawa ng demodulasyon ng mga signal ng AM at FM na nagdadala ng data ng analog, tulad ng (hindi-digitized) na audio. Ngayon handa na kaming tingnan kung paano mabawi ang orihinal na impormasyon na na-encode sa pamamagitan ng ikatlong pangkalahatang uri ng modulation, ibig sabihin, phase modulation.

Gayunpaman, ang modulasyon ng analog phase ay hindi pangkaraniwan, samantalang ang digital modulation phase ay napaka-pangkaraniwan. Sa gayon, mas nakakaintindi ang paggalugad ng PM demodulation sa konteksto ng digital RF na komunikasyon. Susubukan naming tuklasin ang paksang ito gamit ang binary phase shift keying (BPSK); gayunpaman, magandang malaman na ang quadrature phase shift keying (QPSK) ay mas nauugnay sa mga modernong wireless system.

Tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang binary phase shift keying ay kumakatawan sa digital na data sa pamamagitan ng pagtatalaga ng isang yugto sa binary 0 at isang magkakaibang yugto sa binary 1. Ang dalawang phase ay pinaghihiwalay ng 180 ° upang ma-optimize ang kawastuhan ng demodulation - higit na paghihiwalay sa pagitan ng dalawang mga halaga ng phase na ginagawang mas madali upang mabasa ang mga simbolo.

Multiply at Pagsamahin-at I-synchronize
Ang isang BPSK demodulator ay binubuo pangunahin ng dalawang mga functional na bloke: isang multiplier at isang integrator. Ang dalawang sangkap na ito ay makagawa ng isang senyas na tumutugma sa orihinal na data ng binary. Gayunpaman, kinakailangan din ang pag-synchronise ng circuitry, dahil dapat makilala ng tatanggap ang hangganan sa pagitan ng mga panahon ng bit. Ito ay isang mahalagang pagkakaiba sa pagitan ng analog demodulation at digital demodulation, kaya't tingnan natin nang mas malapit.

 

Sa analog demodulation, ang signal ay hindi talagang magkaroon ng isang simula o pagtatapos. Isipin ang isang FM transmiter na nagpo-broadcast ng isang audio signal, ibig sabihin, isang senyas na patuloy na nag-iiba ayon sa musika. Ngayon isipin ang isang tatanggap ng FM na sa una ay patayin. 

Maaaring magamit ng gumagamit ang receiver sa anumang oras sa oras, at ang demodulation circuitry ay magsisimulang makuha ang signal ng audio mula sa modulated carrier. Ang nakuha na signal ay maaaring palakihin at maipadala sa isang tagapagsalita, at ang musika ay tunog normal. 

Ang tagatanggap ay walang ideya kung ang signal ng audio ay kumakatawan sa simula o pagtatapos ng isang kanta, o kung ang demodulation circuitry ay nagsisimula na gumagana sa simula ng isang sukatan, o kanan sa pagkatalo, o sa pagitan ng dalawang beats. Hindi mahalaga; ang bawat agad na halaga ng boltahe ay tumutugma sa isang eksaktong sandali sa audio signal, at ang tunog ay muling nilikha kapag ang lahat ng mga instant instant na halaga na ito ay nagaganap nang sunud-sunod.

Sa digital modulation, ang sitwasyon ay ganap na naiiba. Hindi kami nakikipag-ugnayan sa agarang amplitude ngunit sa halip ng isang pagkakasunud-sunod ng mga amplitude na kumakatawan sa isang discrete piraso ng impormasyon, lalo, isang numero (isa o zero). 

Ang bawat pagkakasunud-sunod ng mga amplitude - na tinatawag na isang simbolo, na may tagal na katumbas ng isang yugto ng panahon - ay dapat na makilala mula sa nauna at sumusunod na mga pagkakasunud-sunod: Kung ang broadcaster (mula sa itaas na halimbawa) ay gumagamit ng digital modulation at ang receiver ay pinalakas at nagsimulang mag-demodulate sa isang random point sa oras, ano ang mangyayari? 

Kaya, kung nangyari ang tatanggap upang simulan ang pag-demodulate sa gitna ng isang simbolo, susubukan nitong bigyang-kahulugan ang kalahati ng isang simbolo at kalahati ng mga sumusunod na simbolo. Ito ay, syempre, hahantong sa mga pagkakamali; ang isang logic-one na simbolo na sinundan ng isang logic-zero na simbolo ay magkakaroon ng pantay na pagkakataon na mabibigyang kahulugan bilang isang o isang zero.

Maliwanag, kung gayon, ang pag-synchronize ay dapat maging isang priyoridad sa anumang digital na RF system. Ang isang diretso na diskarte sa pag-synchronise ay ang unahan ang bawat packet na may paunang natukoy na "pagkakasunud-sunod ng pagsasanay" na binubuo ng mga alternatibong zero na simbolo at isang simbolo (tulad ng nasa itaas na diagram). Ang tagatanggap ay maaaring gumamit ng mga pagbabagong ito ng zero-one-zero upang makilala ang temporal na hangganan sa pagitan ng mga simbolo, at pagkatapos ang natitirang mga simbolo sa packet ay maaaring maipakahulugan nang maayos sa pamamagitan ng paglalapat ng paunang natukoy na tagal ng simbolo ng system.

Ang Epekto ng Pagpaparami
Tulad ng nabanggit sa itaas, isang pangunahing hakbang sa demodulasyon ng PSK ay ang pagdami. Lalo na partikular, pinarami namin ang isang papasok na signal ng BPSK sa pamamagitan ng isang signal ng sanggunian na may dalas na katumbas ng dalas ng carrier. Ano ang nagawa nito? Tingnan natin ang matematika; una, kilalanin ang produkto para sa dalawang mga function ng sine:

 

Kung ibinabaling natin ang mga pangkaraniwang pagpapaandar na ito sa mga signal na may dalas at yugto, mayroon tayong mga sumusunod:

Pagpapasimple, mayroon kaming:

Kaya kapag pinarami natin ang dalawang sinusoids na magkatulad na dalas ngunit magkakaibang yugto, ang resulta ay isang sinusoid ng doble ang dalas kasama ang isang offset na nakasalalay sa pagkakaiba sa pagitan ng dalawang phase. 

Ang offset ay ang susi: Kung ang yugto ng natanggap na signal ay katumbas ng yugto ng sanggunian ng sanggunian, mayroon kaming cos (0 °), na katumbas ng 1. Kung ang yugto ng natanggap na signal ay 180 ° naiiba sa yugto ng ang sanggunian ng sanggunian, mayroon kaming kos (180 °), na kung saan ay –1. Kaya, ang output ng multiplier ay magkakaroon ng isang positibong offset ng DC para sa isa sa mga halaga ng binary at isang negatibong DC offset para sa iba pang binary na halaga. Ang offset na ito ay maaaring magamit upang bigyang kahulugan ang bawat simbolo bilang isang zero o isa.

Pagkumpirma ng Simulation
Ang sumusunod na BPSK modulation-and-demodulation circuit ay nagpapakita sa iyo kung paano ka makakalikha ng signal ng BPSK sa LTspice:

Ang dalawang mapagkukunan ng sine (ang isa na may phase = 0 ° at ang isa na may phase = 180 °) ay konektado sa dalawang switch na kinokontrol ng boltahe. Ang parehong mga switch ay may parehong signal ng control control ng alon, at ang on and off resistances ay na-configure na ang isa ay nakabukas habang ang isa ay sarado. Ang mga "output" na mga terminal ng dalawang switch ay pinagsama, at ang mga op-amp buffers ang nagreresultang signal, na ganito ang hitsura:




Susunod, mayroon kaming isang sanggunian sinusoid (V4) na may dalas na katumbas ng dalas ng alon ng BPSK, at pagkatapos ay gumagamit kami ng isang di-makatwirang mapagkukunan ng boltahe ng pag-uugali upang maparami ang signal ng BPSK sa pamamagitan ng signal ng sanggunian. Narito ang resulta:




Tulad ng nakikita mo, ang demodulated signal ay doble ang dalas ng natanggap na signal, at mayroon itong positibo o negatibong DC offset ayon sa yugto ng bawat simbolo. Kung isinasama namin ang hudyat na ito nang may paggalang sa bawat panahon, magkakaroon kami ng isang digital na signal na naaayon sa orihinal na data.

Mag-ugnay na Magkita
Sa halimbawang ito, ang yugto ng sanggunian ng sanggunian ng tumatanggap ay naka-synchronize kasama ang yugto ng papasok na modulated signal. Madali itong nagawa sa isang kunwa; ito ay makabuluhang mas mahirap sa totoong buhay. Bukod dito, tulad ng napag-usapan sa pahinang ito sa ilalim ng "Pagkakaiba-iba ng Encoding," ang ordinaryong phase phase keying ay hindi maaaring magamit sa mga system na napapailalim sa hindi mahuhulaan na pagkakaiba sa pagitan ng transmiter at tagatanggap. 

Halimbawa, kung ang signal ng sanggunian ng tumatanggap ay 90 ° sa labas ng phase kasama ang tagadala ng transmiter, ang pagkakaiba ng phase sa pagitan ng sanggunian at signal ng BPSK ay palaging 90 °, at ang cos (90 °) ay 0. Sa gayon, ang DC offset ay nawala, at ang sistema ay ganap na hindi gumagana.

Ito ay maaaring kumpirmahin sa pamamagitan ng pagbabago ng phase ng V4 na mapagkukunan sa 90 °; narito ang resulta:

Buod
* Ang digital demodulation ay nangangailangan ng pag-synchronise ng kaunting panahon; dapat matukoy ng tatanggap ang mga hangganan sa pagitan ng mga katabing simbolo.

* Binary-phase-shift-keying signal ay maaaring mai-demodulated sa pamamagitan ng pagdami na sinusundan ng pagsasama. Ang sanggunian signal na ginamit sa hakbang ng pagpaparami ay may parehong dalas ng carrier ng transmiter.

* Ang ordinaryong phase-shift-keying ay maaasahan lamang kapag ang yugto ng sanggunian ng sanggunian ng tatanggap ay maaaring mapanatili ang pag-synchronise sa yugto ng tagadala ng transmiter.

Mag-iwan ng mensahe 

Listahan ng Mensahe