วิธี demodulate การมอดูเลตเฟสดิจิตอล

Demodulation ความถี่วิทยุ
เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีดึงข้อมูลดิจิตอลดั้งเดิมจากรูปคลื่นการเปลี่ยนเฟส

ในสองหน้าก่อนหน้านี้เราได้พูดคุยกับระบบสำหรับการทำ demodulation ของสัญญาณ AM และ FM ที่มีข้อมูลแบบอะนาล็อกเช่นเสียง (ที่ไม่ใช่ดิจิทัล) ตอนนี้เราพร้อมที่จะดูวิธีการกู้คืนข้อมูลต้นฉบับที่ถูกเข้ารหัสผ่านการมอดูเลตชนิดที่สามทั่วไปคือการมอดูเลตเฟส

อย่างไรก็ตามการปรับเฟสแบบอะนาล็อกไม่ได้เป็นเรื่องธรรมดาในขณะที่การปรับเฟสแบบดิจิตอลเป็นเรื่องธรรมดามาก ดังนั้นจึงเหมาะสมกว่าที่จะสำรวจ PM demodulation ในบริบทของการสื่อสาร RF แบบดิจิทัล เราจะสำรวจหัวข้อนี้โดยใช้การปรับเปลี่ยนเฟสแบบไบนารี (BPSK) อย่างไรก็ตามมันเป็นเรื่องที่ดีที่จะต้องทราบว่าการทำคีชแบบ quadrature phase shift keying (QPSK) เกี่ยวข้องกับระบบไร้สายที่ทันสมัย

ดังที่ชื่อบ่งบอกว่าการเปลี่ยนเฟสแบบทวิภาคหมายถึงข้อมูลดิจิตอลโดยการกำหนดหนึ่งเฟสให้กับไบนารี่ 0 และเฟสที่ต่างกันเป็นไบนารี่ 1 เฟสทั้งสองจะแยกจากกันโดย 180 °เพื่อปรับความถูกต้อง demodulation ให้เหมาะสมที่สุด เพื่อถอดรหัสสัญลักษณ์

ทวีคูณและบูรณาการ - และประสาน
demodulator ของ BPSK นั้นประกอบด้วยบล็อกการทำงานสองส่วนคือตัวคูณและตัวรวม ส่วนประกอบทั้งสองนี้จะสร้างสัญญาณที่สอดคล้องกับข้อมูลไบนารีดั้งเดิม อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องมีวงจรการซิงโครไนซ์เนื่องจากผู้รับต้องสามารถระบุขอบเขตระหว่างช่วงเวลาบิต นี่เป็นข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างแอนะล็อกดีมอดูเลชันกับดิจิตอลดีโมดูเลชันดังนั้นลองมาดูให้ละเอียด

 

ใน demodulation แบบอะนาล็อกสัญญาณไม่ได้มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุดจริงๆ ลองนึกภาพเครื่องส่งสัญญาณ FM ที่ส่งสัญญาณเสียงเช่นสัญญาณที่แตกต่างกันไปตามเพลงอย่างต่อเนื่อง ตอนนี้ลองนึกภาพตัวรับสัญญาณ FM ที่ถูกปิดในตอนแรก 

ผู้ใช้สามารถเปิดเครื่องรับสัญญาณได้ตลอดเวลาและวงจร demodulation จะเริ่มดึงสัญญาณเสียงจากตัวส่งสัญญาณที่ปรับได้ สัญญาณที่แยกสามารถขยายและส่งไปยังลำโพงและเพลงจะฟังดูเป็นปกติ 

ผู้รับไม่มีความคิดว่าสัญญาณเสียงแสดงถึงจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุดของเพลงหรือถ้าวงจร demodulation เริ่มทำงานที่จุดเริ่มต้นของการวัดหรือถูกจังหวะหรือระหว่างจังหวะสองจังหวะ มันไม่สำคัญ ค่าแรงดันไฟฟ้าทันทีแต่ละค่าจะสอดคล้องกับช่วงเวลาที่แน่นอนในสัญญาณเสียงและเสียงจะถูกสร้างขึ้นใหม่เมื่อค่าทั้งหมดเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ด้วยการปรับแบบดิจิตอลสถานการณ์จะแตกต่างอย่างสิ้นเชิง เราไม่ได้เกี่ยวข้องกับแอมพลิจูดทันที แต่เป็นการเรียงลำดับแอมพลิจูดที่แสดงถึงข้อมูลแยกชิ้นเดียวคือตัวเลข (หนึ่งหรือศูนย์) 

แต่ละลำดับของแอมพลิจูด - เรียกว่าสัญลักษณ์โดยมีระยะเวลาเท่ากับหนึ่งบิต - จะต้องแตกต่างจากลำดับก่อนหน้าและต่อไปนี้: หากผู้ประกาศ (จากตัวอย่างด้านบน) กำลังใช้การมอดูเลตแบบดิจิตอลและเครื่องรับพลังงานขับเคลื่อน จุดสุ่มในเวลาจะเกิดอะไรขึ้น 

ทีนี้ถ้าผู้รับรับสัญญาณเริ่ม demodulating ตรงกลางของสัญลักษณ์มันจะพยายามตีความสัญลักษณ์ครึ่งหนึ่งและครึ่งหนึ่งของสัญลักษณ์ต่อไปนี้ แน่นอนว่าสิ่งนี้จะนำไปสู่ข้อผิดพลาด; สัญลักษณ์ลอจิกหนึ่งตามด้วยสัญลักษณ์ลอจิกศูนย์จะมีโอกาสที่เท่าเทียมกันในการตีความว่าเป็นหนึ่งหรือศูนย์

ชัดเจนแล้วการซิงโครไนซ์จะต้องมีความสำคัญในระบบ RF ดิจิตอลใด ๆ วิธีการซิงโครไนซ์ที่ตรงไปตรงมาอย่างหนึ่งคือนำหน้าแต่ละแพ็คเก็ตที่มี "ลำดับการฝึกอบรม" ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งประกอบด้วยสัญลักษณ์ศูนย์สำรองและหนึ่งสัญลักษณ์ (ดังในแผนภาพด้านบน) ผู้รับสามารถใช้ช่วงการเปลี่ยนภาพแบบหนึ่งศูนย์เป็นศูนย์เพื่อระบุขอบเขตชั่วคราวระหว่างสัญลักษณ์และจากนั้นสัญลักษณ์ที่เหลือในแพ็คเก็ตสามารถตีความได้อย่างถูกต้องโดยการใช้ระยะเวลาสัญลักษณ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของระบบ

ผลของการคูณ
ขั้นตอนพื้นฐานใน demodulation ของ PSK คือการคูณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเราทวีคูณสัญญาณ BPSK ที่เข้ามาโดยสัญญาณอ้างอิงที่มีความถี่เท่ากับความถี่พาหะ สิ่งนี้ทำให้สำเร็จ ลองดูคณิตศาสตร์; ก่อนผลิตภัณฑ์ระบุฟังก์ชั่นไซน์สอง:

 

หากเราเปลี่ยนฟังก์ชันไซน์ทั่วไปเหล่านี้เป็นสัญญาณที่มีความถี่และเฟสเรามีดังต่อไปนี้:

ทำให้ง่ายขึ้นเรามี:

ดังนั้นเมื่อเราคูณไซน์ซอยด์สองความถี่ที่เท่ากัน แต่เฟสต่างกันผลลัพธ์ก็คือไซนัสด์ของความถี่สองเท่าบวกกับออฟเซ็ตที่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างเฟสทั้งสอง 

อ็อฟเซ็ตคือกุญแจสำคัญ: หากเฟสของสัญญาณที่ได้รับเท่ากับเฟสของสัญญาณอ้างอิงเรามี cos (0 °) ซึ่งเท่ากับ 1 หากเฟสของสัญญาณที่ได้รับนั้น 180 °แตกต่างจากเฟสของ สัญญาณอ้างอิงเรามี cos (180 °) ซึ่งก็คือ –1 ดังนั้นเอาท์พุทของตัวคูณจะมี DC offset ที่เป็นบวกสำหรับหนึ่งในค่าไบนารีและ DC ตรงเชิงลบสำหรับค่าไบนารีอื่น ๆ อ็อฟเซ็ตนี้สามารถใช้เพื่อตีความแต่ละสัญลักษณ์เป็นศูนย์หรือหนึ่งสัญลักษณ์

การยืนยันการจำลอง
วงจรการมอดูเลต BPSK ต่อไปนี้จะแสดงวิธีที่คุณสามารถสร้างสัญญาณ BPSK ใน LTspice:

แหล่งกำเนิดไซน์สองแหล่ง (แหล่งที่มีเฟส = 0 °และแหล่งที่มีเฟส = 180 °) เชื่อมต่อกับสวิตช์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าสองตัว สวิตช์ทั้งสองมีสัญญาณควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยมแบบเดียวกันและค่าความต้านทานเปิดและปิดได้รับการกำหนดค่าเช่นหนึ่งเปิดในขณะที่ปิดอีก ขั้ว“ เอาท์พุท” ของสวิตช์ทั้งสองนั้นเชื่อมต่อกันและบัฟเฟอร์สัญญาณที่เกิดขึ้นซึ่งมีลักษณะดังนี้:




ต่อไปเรามี sinusoid อ้างอิง (V4) ที่มีความถี่เท่ากับความถี่ของรูปแบบของคลื่น BPSK จากนั้นเราใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบพฤติกรรมตามอำเภอใจเพื่อคูณสัญญาณ BPSK ด้วยสัญญาณอ้างอิง นี่คือผลลัพธ์:




อย่างที่คุณเห็นสัญญาณ demodulated นั้นเป็นสองเท่าของความถี่ของสัญญาณที่ได้รับและมันมี DC ตรงข้ามที่เป็นบวกหรือลบตามเฟสของแต่ละสัญลักษณ์ ถ้าเรารวมสัญญาณนี้ด้วยความเคารพในแต่ละช่วงเวลาบิตเราจะมีสัญญาณดิจิตอลที่สอดคล้องกับข้อมูลต้นฉบับ

การตรวจสอบที่สอดคล้องกัน
ในตัวอย่างนี้เฟสของสัญญาณอ้างอิงของผู้รับจะซิงโครไนซ์กับเฟสของสัญญาณมอดูเลตที่เข้ามา นี่คือความสำเร็จในการจำลอง; มันยากมากขึ้นในชีวิตจริง นอกจากนี้ตามที่กล่าวไว้ในหน้านี้ภายใต้“ การเข้ารหัสแบบดิฟเฟอเรนเชียล” การเปลี่ยนเฟสแบบปกติไม่สามารถใช้ในระบบที่อยู่ภายใต้ความแตกต่างเฟสที่ไม่แน่นอนระหว่างตัวส่งและตัวรับ 

ตัวอย่างเช่นหากสัญญาณอ้างอิงของผู้รับคือ 90 °ออกจากเฟสกับผู้ให้บริการของเครื่องส่งสัญญาณความแตกต่างของเฟสระหว่างการอ้างอิงและสัญญาณ BPSK จะเป็น 90 °เสมอและ cos (90 °) เป็น 0 ดังนั้น DC offset คือ หายไปและระบบไม่สมบูรณ์

สิ่งนี้สามารถยืนยันได้โดยการเปลี่ยนเฟสของแหล่งกำเนิด V4 เป็น 90 °; นี่คือผลลัพธ์:

สรุป
* demodulation แบบดิจิทัลต้องใช้การซิงโครไนซ์ระยะเวลาบิต ผู้รับจะต้องสามารถระบุขอบเขตระหว่างสัญลักษณ์ที่อยู่ติดกัน

* สัญญาณ Binary-phase-shift-keying สามารถ demodulated ผ่านการคูณตามด้วยการรวมเข้าด้วยกัน สัญญาณอ้างอิงที่ใช้ในขั้นตอนการคูณมีความถี่เช่นเดียวกับผู้ให้บริการของเครื่องส่งสัญญาณ

* การเปลี่ยนเฟสแบบปกตินั้นเชื่อถือได้เฉพาะเมื่อเฟสของสัญญาณอ้างอิงของผู้รับสามารถรักษาการซิงโครไนซ์กับเฟสของตัวส่งสัญญาณของตัวส่งสัญญาณได้

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ