Kaip demonstruoti skaitmeninį fazių moduliavimą

Radijo dažnio demonstracija
Sužinokite apie tai, kaip iš fazės poslinkio keitimo bangos formos išgauti originalius skaitmeninius duomenis.

Ankstesniuose dviejuose puslapiuose aptarėme AM ir FM signalų, kurie perduoda analoginius duomenis, tokius kaip (ne skaitmenizuotas) garsas, demoduliacijos sistemas. Dabar esame pasirengę ieškoti būdų, kaip atkurti originalią informaciją, užkoduotą naudojant trečiąjį bendrąjį moduliacijos tipą, būtent fazinį moduliavimą.

Tačiau analoginė fazės moduliacija nėra įprasta, tuo tarpu skaitmeninė fazės moduliacija yra labai dažna. Taigi prasmingiau tyrinėti PM demoduliaciją skaitmeninio RF ryšio kontekste. Mes išnagrinėsime šią temą naudodami dvejetainį fazės poslinkio klavišą (BPSK); tačiau verta žinoti, kad kvadratinių fazių poslinkio raktas (QPSK) yra aktualesnis šiuolaikinėms bevielėms sistemoms.

Kaip matyti iš pavadinimo, dvejetainis fazių poslinkio keitimas reiškia skaitmeninius duomenis, priskiriant vieną fazę dvejetainiams 0, o kitą - fazėms 1. Dvi fazės yra atskirtos 180 ° kampu, siekiant optimizuoti demoduliacijos tikslumą - daugiau atskyrimo tarp dviejų fazių verčių palengvina. iššifruoti simbolius.

Padauginkite ir integruokite - ir sinchronizuokite
BPSK demoduliatorių pirmiausia sudaro du funkciniai blokai: daugiklis ir integratorius. Šie du komponentai duos signalą, kuris atitinka pradinius dvejetainius duomenis. Tačiau reikalinga ir sinchronizacijos schema, nes imtuvas turi sugebėti nustatyti ribą tarp bitų periodų. Tai yra svarbus skirtumas tarp analoginės ir skaitmeninės demoduliacijos, todėl pažvelkime atidžiau.

 

Esant analoginei demoduliacijai, signalas neturi nei pradžios, nei pabaigos. Įsivaizduokite FM siųstuvą, kuris skleidžia garso signalą, ty signalą, kuris nuolat kinta priklausomai nuo muzikos. Dabar įsivaizduokite iš pradžių išjungtą FM imtuvą. 

Vartotojas gali bet kuriuo metu įjungti imtuvą, o demoduliavimo schema pradės išgauti garso signalą iš moduliuotos nešiklio. Ištrauktą signalą galima sustiprinti ir nusiųsti į garsiakalbį, o muzika skambės normaliai. 

Imtuvas neturi supratimo, ar garso signalas žymi dainos pradžią ar pabaigą, ar demoduliavimo schema pradeda veikti matavimo pradžioje ar tiesiai ant ritmo, ar tarp dviejų ritmų. Nesvarbu; kiekviena momentinė įtampos reikšmė atitinka vieną tikslų garso signalo momentą, o garsas vėl sukuriamas, kai visos šios akimirksinės vertės atsiranda iš eilės.

Su skaitmenine moduliacija situacija yra visiškai kitokia. Mes nesusiję su momentinėmis amplitudėmis, o veikiau su amplitudžių seka, vaizduojančia vieną diskrečią informacijos dalį, būtent skaičių (vieną arba nulį). 

Kiekvieną amplitudžių seką, vadinamą simboliu, kurios trukmė lygi vienam bitų periodui, reikia atskirti nuo ankstesnės ir sekančios sekos: Jei transliuotojas (iš aukščiau pateikto pavyzdžio) naudojo skaitmeninę moduliaciją, o imtuvas buvo įjungtas ir pradėjo demoduliuoti atsitiktinis momentas, kas atsitiks? 

Na, jei imtuvas imtųsi demoduliuoti simbolio viduryje, jis bandytų aiškinti pusę vieno simbolio ir pusę kito simbolio. Tai, be abejo, padarytų klaidų; loginis simbolis, po kurio eina loginis nulio simbolis, turėtų lygias galimybes būti interpretuojamas kaip vienas arba nulis.

Aišku, tada sinchronizavimas turi būti bet kurios skaitmeninės radijo dažnių sistemos prioritetas. Vienas paprastas požiūris į sinchronizavimą yra prieš kiekvieną paketą iš anksto apibrėžta „treniruočių seka“, susidedančia iš kintamų nulio simbolių ir vieno simbolio (kaip parodyta aukščiau pateiktoje diagramoje). Imtuvas gali naudoti šiuos „vieno nulio – vieno nulio“ perėjimus, kad nustatytų laiko ribą tarp simbolių, o tada likusius paketo simbolius galima tinkamai interpretuoti, tiesiog pritaikant iš anksto nustatytą sistemos simbolių trukmę.

Daugybos efektas
Kaip minėta aukščiau, pagrindinis PSK demoduliacijos žingsnis yra daugyba. Tiksliau, mes padauginame gaunamą BPSK signalą iš atskaitos signalo, kurio dažnis yra lygus nešiklio dažniui. Ką tai daro? Pažvelkime į matematiką; pirma, produktas identifikuoja dvi sinusines funkcijas:

 

Jei šias bendrąsias sinuso funkcijas paversime signalais, kurių dažnis ir fazė yra, mes turime:

Paprasčiau tariant, mes turime:

Taigi, kai mes dauginame du vienodo dažnio, bet skirtingos fazės sinusoidus, gaunamas dvigubo dažnio sinusoidas ir poslinkis, priklausantis nuo dviejų fazių skirtumo. 

Poslinkis yra raktas: Jei gauto signalo fazė yra lygi pamatinio signalo fazei, turime cos (0 °), lygią 1. Jei gauto signalo fazė skiriasi 180 ° nuo atskaitos signalą, mes turime cos (180 °), kuris yra –1. Taigi multiplikatoriaus išvestis turės teigiamą nuolatinį DC poslinkį vienai iš dvejetainių verčių ir neigiamą DC poslinkį kitai dvejetainiai vertei. Šis poslinkis gali būti naudojamas aiškinant kiekvieną simbolį kaip nulį arba vieną.

Modeliavimo patvirtinimas
Ši BPSK moduliavimo ir demoduliacijos schema parodo, kaip galite sukurti BPSK signalą „LTspice“:

Du sinusiniai šaltiniai (vienas su faze = 0 ° ir vienas su faze = 180 °) yra sujungti su dviem įtampos valdomais jungikliais. Abu jungikliai turi tą patį kvadratinių bangų valdymo signalą, o įjungimo ir išjungimo varžos sukonfigūruotos taip, kad vienas būtų atidarytas, o kitas uždarytas. Dviejų jungiklių „išėjimo“ gnybtai yra sujungti, o op-amp stiprintuvas apsaugo gautą signalą, kuris atrodo taip:




Toliau mes turime pamatinį sinusoidą (V4), kurio dažnis yra lygus BPSK bangos formos dažniui, tada mes naudojame savavališką elgesio įtampos šaltinį, norėdami padauginti BPSK signalą iš atskaitos signalo. Štai rezultatas:




Kaip matote, demoduliuotas signalas yra dvigubai didesnis nei gauto signalo dažnis, ir jis turi teigiamą arba neigiamą nuolatinės srovės poslinkį pagal kiekvieno simbolio fazę. Jei mes integruosime šį signalą kiekvieno bito periodo atžvilgiu, turėsime skaitmeninį signalą, kuris atitinka pradinius duomenis.

Nuoseklus aptikimas
Šiame pavyzdyje imtuvo atskaitos signalo fazė sinchronizuojama su gaunamo moduliuoto signalo faze. Tai lengva atlikti imituojant; realiame gyvenime tai žymiai sunkiau. Be to, kaip aptarta šiame skyriuje skyriuje „Diferencialinis kodavimas“, įprasto fazių poslinkio klavišai negali būti naudojami sistemose, kurioms būdingi nenuspėjami fazės skirtumai tarp siųstuvo ir imtuvo. 

Pvz., Jei imtuvo atskaitos signalas yra 90 ° per mažas su siųstuvo nešikliu, fazės skirtumas tarp atskaitos ir BPSK signalo visada bus 90 °, o cos (90 °) lygus 0. Taigi, DC poslinkis yra pamestas, o sistema visiškai nefunkcionuoja.

Tai galima patvirtinti pakeitus V4 šaltinio fazę į 90 °; Štai rezultatas:

Santrauka
* Skaitmeniniam demoduliavimui reikalinga bitų laikotarpio sinchronizacija; imtuvas turi sugebėti nustatyti ribas tarp gretimų simbolių.

* Dvejetainių fazių poslinkio klavišų signalai gali būti demoduliuoti dauginant, po to integruojant. Padauginimo etape naudojamas etaloninis signalas turi tokį patį dažnį kaip siųstuvo nešiklis.

* Įprastinis fazės poslinkio mygtukų paspaudimas yra patikimas tik tada, kai imtuvo atskaitos signalo fazė gali palaikyti sinchronizaciją su siųstuvo nešiklio faze.

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas