Demodulieren der digitalen Phasenmodulation

Hochfrequenzdemodulation
Erfahren Sie, wie Sie die ursprünglichen digitalen Daten aus einer Wellenform mit Phasenumtastung extrahieren.

Auf den beiden vorhergehenden Seiten haben wir Systeme zur Demodulation von AM- und FM-Signalen besprochen, die analoge Daten wie (nicht digitalisiertes) Audio übertragen. Nun sind wir bereit zu untersuchen, wie Originalinformationen wiederhergestellt werden können, die über den dritten allgemeinen Modulationstyp, nämlich die Phasenmodulation, codiert wurden.

Eine analoge Phasenmodulation ist jedoch nicht üblich, während eine digitale Phasenmodulation sehr häufig ist. Daher ist es sinnvoller, die PM-Demodulation im Kontext der digitalen HF-Kommunikation zu untersuchen. Wir werden dieses Thema mithilfe der binären Phasenumtastung (BPSK) untersuchen. Es ist jedoch gut zu wissen, dass Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) für moderne drahtlose Systeme relevanter ist.

Wie der Name schon sagt, stellt die binäre Phasenumtastung digitale Daten dar, indem der binären 0 eine Phase und der binären 1 eine andere Phase zugewiesen wird. Die beiden Phasen sind um 180 ° voneinander getrennt, um die Demodulationsgenauigkeit zu optimieren. Eine stärkere Trennung zwischen den beiden Phasenwerten erleichtert dies um die Symbole zu dekodieren.

Multiplizieren und integrieren - und synchronisieren
Ein BPSK-Demodulator besteht hauptsächlich aus zwei Funktionsblöcken: einem Multiplikator und einem Integrator. Diese beiden Komponenten erzeugen ein Signal, das den ursprünglichen Binärdaten entspricht. Es wird jedoch auch eine Synchronisationsschaltung benötigt, da der Empfänger in der Lage sein muss, die Grenze zwischen Bitperioden zu identifizieren. Dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen analoger und digitaler Demodulation. Schauen wir uns das genauer an.

 

Bei der analogen Demodulation hat das Signal nicht wirklich einen Anfang oder ein Ende. Stellen Sie sich einen FM-Sender vor, der ein Audiosignal sendet, dh ein Signal, das sich je nach Musik kontinuierlich ändert. Stellen Sie sich nun einen FM-Empfänger vor, der zunächst ausgeschaltet ist. 

Der Benutzer kann den Empfänger jederzeit einschalten, und die Demodulationsschaltung beginnt mit dem Extrahieren des Audiosignals aus dem modulierten Träger. Das extrahierte Signal kann verstärkt und an einen Lautsprecher gesendet werden, und die Musik klingt normal. 

Der Empfänger hat keine Ahnung, ob das Audiosignal den Anfang oder das Ende eines Songs darstellt oder ob die Demodulationsschaltung zu Beginn eines Takts oder direkt im Takt oder zwischen zwei Schlägen zu funktionieren beginnt. Es spielt keine Rolle; Jeder Momentanspannungswert entspricht einem exakten Moment im Audiosignal, und der Ton wird neu erzeugt, wenn alle diese Momentanwerte nacheinander auftreten.

Bei der digitalen Modulation ist die Situation völlig anders. Wir haben es nicht mit momentanen Amplituden zu tun, sondern mit einer Folge von Amplituden, die eine diskrete Information darstellen, nämlich eine Zahl (eins oder null). 

Jede Folge von Amplituden - als Symbol bezeichnet - mit einer Dauer von einer Bitperiode muss von den vorhergehenden und folgenden Folgen unterschieden werden: Wenn der Sender (aus dem obigen Beispiel) digitale Modulation verwendet und der Empfänger eingeschaltet ist und mit der Demodulation beginnt ein zufälliger Zeitpunkt, was würde passieren? 

Wenn der Empfänger in der Mitte eines Symbols mit der Demodulation beginnen würde, würde er versuchen, die Hälfte eines Symbols und die Hälfte des folgenden Symbols zu interpretieren. Dies würde natürlich zu Fehlern führen; Ein logisches Eins-Symbol, gefolgt von einem logischen Null-Symbol, hätte die gleiche Chance, als Eins oder Null interpretiert zu werden.

Daher muss die Synchronisation in jedem digitalen HF-System Priorität haben. Ein einfacher Ansatz für die Synchronisation besteht darin, jedem Paket eine vordefinierte "Trainingssequenz" vorauszugehen, die aus abwechselnden Nullsymbolen und einem Symbol besteht (wie im obigen Diagramm). Der Empfänger kann diese Eins-Null-Eins-Null-Übergänge verwenden, um die zeitliche Grenze zwischen Symbolen zu identifizieren, und dann kann der Rest der Symbole im Paket richtig interpretiert werden, indem einfach die vordefinierte Symboldauer des Systems angewendet wird.

Der Effekt der Multiplikation
Wie oben erwähnt, ist die Multiplikation ein grundlegender Schritt bei der PSK-Demodulation. Insbesondere multiplizieren wir ein eingehendes BPSK-Signal mit einem Referenzsignal mit einer Frequenz, die der Trägerfrequenz entspricht. Was bringt das? Schauen wir uns die Mathematik an. Zunächst identifiziert das Produkt zwei Sinusfunktionen:

 

Wenn wir diese generischen Sinusfunktionen in Signale mit einer Frequenz und Phase umwandeln, haben wir Folgendes:

Vereinfacht gesagt haben wir:

Wenn wir also zwei Sinuskurven gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Phase multiplizieren, ergibt sich eine Sinuskurve mit doppelter Frequenz plus einem Versatz, der von der Differenz zwischen den beiden Phasen abhängt. 

Der Offset ist der Schlüssel: Wenn die Phase des empfangenen Signals gleich der Phase des Referenzsignals ist, haben wir cos (0 °), was gleich 1 ist. Wenn sich die Phase des empfangenen Signals um 180 ° von der Phase von unterscheidet Als Referenzsignal haben wir cos (180 °), was –1 ist. Somit hat der Ausgang des Multiplikators einen positiven Gleichstromversatz für einen der Binärwerte und einen negativen Gleichstromversatz für den anderen Binärwert. Dieser Versatz kann verwendet werden, um jedes Symbol als Null oder Eins zu interpretieren.

Simulationsbestätigung
Die folgende BPSK-Modulations- und Demodulationsschaltung zeigt Ihnen, wie Sie ein BPSK-Signal in LTspice erstellen können:

Zwei Sinusquellen (eine mit Phase = 0 ° und eine mit Phase = 180 °) sind an zwei spannungsgesteuerte Schalter angeschlossen. Beide Schalter haben das gleiche Rechteckwellensteuersignal, und die Ein- und Ausschaltwiderstände sind so konfiguriert, dass einer offen ist, während der andere geschlossen ist. Die "Ausgangs" -Anschlüsse der beiden Schalter sind miteinander verbunden, und der Operationsverstärker puffert das resultierende Signal, das folgendermaßen aussieht:




Als nächstes haben wir eine Referenzsinuskurve (V4) mit einer Frequenz gleich der Frequenz der BPSK-Wellenform, und dann verwenden wir eine beliebige Verhaltensspannungsquelle, um das BPSK-Signal mit dem Referenzsignal zu multiplizieren. Hier ist das Ergebnis:




Wie Sie sehen können, ist das demodulierte Signal doppelt so hoch wie das empfangene Signal und weist je nach Phase jedes Symbols einen positiven oder negativen Gleichstromversatz auf. Wenn wir dieses Signal dann in Bezug auf jede Bitperiode integrieren, erhalten wir ein digitales Signal, das den Originaldaten entspricht.

Kohärente Erkennung
In diesem Beispiel wird die Phase des Referenzsignals des Empfängers mit der Phase des eingehenden modulierten Signals synchronisiert. Dies ist in einer Simulation leicht zu erreichen; Im wirklichen Leben ist es bedeutend schwieriger. Darüber hinaus kann, wie auf dieser Seite unter „Differentialcodierung“ erläutert, die normale Phasenumtastung nicht in Systemen verwendet werden, die unvorhersehbaren Phasendifferenzen zwischen Sender und Empfänger unterliegen. 

Wenn beispielsweise das Referenzsignal des Empfängers gegenüber dem Träger des Senders um 90 ° phasenverschoben ist, beträgt die Phasendifferenz zwischen dem Referenz- und dem BPSK-Signal immer 90 ° und cos (90 °) ist 0. Somit ist der Gleichstromversatz verloren, und das System ist völlig funktionsunfähig.

Dies kann durch Ändern der Phase der V4-Quelle auf 90 ° bestätigt werden. Hier ist das Ergebnis:

Zusammenfassung
* Die digitale Demodulation erfordert eine Bitperiodensynchronisation. Der Empfänger muss in der Lage sein, die Grenzen zwischen benachbarten Symbolen zu identifizieren.

* Binärphasen-Shift-Keying-Signale können durch Multiplikation und anschließende Integration demoduliert werden. Das im Multiplikationsschritt verwendete Referenzsignal hat die gleiche Frequenz wie der Träger des Senders.

* Eine normale Phasenumtastung ist nur dann zuverlässig, wenn die Phase des Referenzsignals des Empfängers die Synchronisation mit der Phase des Trägers des Senders aufrechterhalten kann.

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