Como desmodular a modulación da fase dixital

Desmodulación de radiofrecuencia
Aprende sobre como extraer os datos dixitais orixinais dunha forma de onda de cambio de fase.

Nas dúas páxinas anteriores falamos de sistemas para realizar a demodulación de sinais AM e FM que transportan datos analóxicos, como son (non dixitalizados). Agora estamos preparados para ver como recuperar a información orixinal que foi codificada mediante o terceiro tipo de modulación xeral, é dicir, a modulación de fase.

Non obstante, a modulación de fase analóxica non é común, mentres que a modulación en fase dixital é moi común. Así, ten máis sentido explorar a demodulación de PM no contexto da comunicación de RF dixital. Imos explorar este tema empregando o teclado binario por cambio de fase (BPSK); Non obstante, é bo ter en conta que a configuración por cambio de fase de cuadratura (QPSK) é máis relevante para os sistemas sen fíos modernos.

Como o nome indica, o engadido por cambio de fase binario representa datos dixitais asignando unha fase a binario 0 e unha fase diferente a binario 1. As dúas fases están separadas por 180 ° para optimizar a precisión da demodulación; máis separación entre os dous valores de fase facilita para decodificar os símbolos.

Multiplicar e integrar e sincronizar
Un demodulador BPSK consiste principalmente en dous bloques funcionais: un multiplicador e un integrador. Estes dous compoñentes producirán un sinal que corresponda aos datos binarios orixinais. Non obstante, tamén é necesario un circuíto de sincronización, porque o receptor debe ser capaz de identificar o límite entre os períodos de bits. Esta é unha diferenza importante entre a demodulación analóxica e a demodulación dixital, polo que vexamos unha ollada máis atenta.

 

En demodulación analóxica, o sinal non ten un comezo nin un final. Imaxina un transmisor FM que estea a emitir un sinal de audio, é dicir, un sinal que varía continuamente segundo a música. Agora imaxine un receptor FM que inicialmente está apagado. 

O usuario pode encender o receptor en calquera momento e os circuítos de demodulación comezarán a extraer o sinal de audio da portadora modulada. O sinal extraído pódese amplificar e enviar a un altofalante, e a música soará normal. 

O receptor non ten idea de se o sinal de audio representa o comezo ou o final dunha canción, ou se o circuíto de demodulación comeza a funcionar ao comezo dunha medida, ou ben ao ritmo, ou entre dous ritmos. Non importa; cada valor de tensión instantánea corresponde a un momento exacto no sinal de audio, e o son volverase a crear cando todos estes valores instantáneos se suceden.

Coa modulación dixital, a situación é completamente diferente. Non tratamos de amplitudes instantáneas, senón dunha secuencia de amplitudes que representa unha información discreta, é dicir, un número (un ou cero). 

Cada secuencia de amplitudes - chamada símbolo, cunha duración igual a un período de bits - debe distinguirse das secuencias precedentes e seguintes: Se a emisora ​​(do exemplo anterior) estivese a utilizar a modulación dixital e o receptor se encendía e comezou a demodularse en un momento aleatorio no tempo, que pasaría? 

Ben, se o receptor comezase a demodularse no medio dun símbolo, intentaría interpretar a metade dun símbolo e a metade do seguinte símbolo. Isto, por suposto, levaría a erros; un símbolo lóxico-un seguido por un símbolo lóxico-cero tería a igual posibilidade de ser interpretado como un ou cero.

Deseguido, a sincronización debe ser unha prioridade en calquera sistema de RF dixital. Un enfoque sinxelo da sincronización é preceder a cada paquete cunha "secuencia de adestramento" predefinida que consta de alternar símbolos cero e un símbolos (como no diagrama anterior). O receptor pode usar estas transicións de un cero-un-cero para identificar o límite temporal entre símbolos e, a continuación, o resto de símbolos do paquete pode interpretarse correctamente simplemente aplicando a duración do símbolo predefinida do sistema.

O efecto da multiplicación
Como se mencionou anteriormente, un paso fundamental na demodulación de PSK é a multiplicación. Máis concretamente, multiplicamos un sinal BPSK entrante por un sinal de referencia cunha frecuencia igual á frecuencia portadora. Que fai isto? Vexamos as matemáticas; En primeiro lugar, o produto identifica dúas funcións senois:

 

Se convertemos estas funcións seno xenéricas en sinais con frecuencia e fase, temos o seguinte:

Simplificando, temos:

Así, cando multiplicamos dous sinusoides de igual frecuencia pero de fase diferente, o resultado é un sinusoide do dobre de frecuencia máis un desplazamento que depende da diferenza entre as dúas fases. 

A compensación é a clave: se a fase do sinal recibida é igual á fase do sinal de referencia, temos cos (0 °), que é igual a 1. Se a fase do sinal recibida é 180 ° diferente da fase de o sinal de referencia, temos cos (180 °), que é –1. Así, a saída do multiplicador terá unha compensación de CC positiva para un dos valores binarios e unha compensación de CC negativa para o outro valor binario. Esta compensación pódese usar para interpretar cada símbolo como un cero ou un.

Confirmación de simulación
O seguinte circuíto de modulación e demodulación BPSK mostra como pode crear un sinal BPSK en LTspice:

Dous fontes senois (unha con fase = 0 ° e outra con fase = 180 °) están conectadas a dous interruptores controlados por tensión. Os dous interruptores teñen o mesmo sinal de control de onda cadrada e as resistencias de encendido e apagado están configuradas de xeito que un estea aberto mentres o outro está pechado. Os terminais "de saída" dos dous interruptores están unidos e o op-amp amplifica a sinal resultante, que parece:




A continuación, temos un sinusoide de referencia (V4) cunha frecuencia igual á frecuencia da forma de onda BPSK e, a continuación, empregamos unha fonte de tensión de comportamento arbitraria para multiplicar o sinal BPSK polo sinal de referencia. Aquí está o resultado:




Como podes ver, o sinal demodulado é o dobre da frecuencia do sinal recibido, e ten un descenso de CC positivo ou negativo segundo a fase de cada símbolo. Se entón integramos este sinal con respecto a cada período de bits, teremos un sinal dixital que corresponda aos datos orixinais.

Detección coherente
Neste exemplo, a fase do sinal de referencia do receptor está sincronizada coa fase do sinal modulado entrante. Isto pódese realizar facilmente nunha simulación; é significativamente máis difícil na vida real. Ademais, como se describe nesta páxina baixo "Codificación diferencial", a configuración ordinaria de cambio de fase non se pode usar en sistemas que están suxeitos a diferenzas de fase imprevisibles entre o emisor e o receptor. 

Por exemplo, se o sinal de referencia do receptor está 90 ° fóra de fase co portador do transmisor, a diferenza de fase entre a referencia e o sinal BPSK será sempre de 90 ° e cos (90 °) é de 0. Así, a compensación CC é perdeuse, e o sistema é completamente funcional.

Isto pódese confirmar cambiando a fase da fonte V4 a 90 °; aquí está o resultado:

Resumo
A demodulación dixital require unha sincronización de bits; o receptor debe poder identificar os límites entre os símbolos adxacentes.

* Os sinais binarios en fase de cambio de fase poden ser demodulados mediante multiplicación seguida da integración. O sinal de referencia empregado no paso de multiplicación ten a mesma frecuencia que o portador do transmisor.

* O cambio de fase ordinario é fiable só cando a fase do sinal de referencia do receptor pode manter a sincronización coa fase do portador do transmisor.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes