Come demodulare la modulazione di fase digitale

Demodulazione a radiofrequenza
Scopri come estrarre i dati digitali originali da una forma d'onda di sfasamento.

Nelle due pagine precedenti abbiamo discusso di sistemi per eseguire la demodulazione di segnali AM e FM che trasportano dati analogici, come l'audio (non digitalizzato). Ora siamo pronti a esaminare come recuperare le informazioni originali che sono state codificate tramite il terzo tipo generale di modulazione, ovvero la modulazione di fase.

Tuttavia, la modulazione di fase analogica non è comune, mentre la modulazione di fase digitale è molto comune. Pertanto, ha più senso esplorare la demodulazione del PM nel contesto della comunicazione RF digitale. Esploreremo questo argomento usando il key bin shift shift keying (BPSK); tuttavia, è bene essere consapevoli del fatto che il key shifting di quadratura (QPSK) è più rilevante per i moderni sistemi wireless.

Come suggerisce il nome, la digitazione binaria di sfasamento rappresenta i dati digitali assegnando una fase a 0 binario e una fase diversa a binario 1. Le due fasi sono separate di 180 ° per ottimizzare l'accuratezza della demodulazione: una maggiore separazione tra i due valori delle fasi rende più semplice per decodificare i simboli.

Moltiplica e integra e sincronizza
Un demodulatore BPSK è costituito principalmente da due blocchi funzionali: un moltiplicatore e un integratore. Questi due componenti produrranno un segnale che corrisponde ai dati binari originali. Tuttavia, sono necessari anche i circuiti di sincronizzazione, poiché il ricevitore deve essere in grado di identificare il confine tra i periodi di bit. Questa è una differenza importante tra demodulazione analogica e demodulazione digitale, quindi diamo un'occhiata più da vicino.

 

Nella demodulazione analogica, il segnale non ha davvero un inizio o una fine. Immagina un trasmettitore FM che sta trasmettendo un segnale audio, cioè un segnale che varia continuamente in base alla musica. Ora immagina un ricevitore FM inizialmente spento. 

L'utente può accendere il ricevitore in qualsiasi momento e i circuiti di demodulazione inizieranno ad estrarre il segnale audio dal vettore modulato. Il segnale estratto può essere amplificato e inviato a un altoparlante e la musica suonerà normale. 

Il ricevitore non ha idea se il segnale audio rappresenti l'inizio o la fine di una canzone, o se il circuito di demodulazione inizia a funzionare all'inizio di una misura, o proprio sulla battuta, o tra due battute. Non importa; ogni valore di tensione istantanea corrisponde a un momento esatto nel segnale audio e il suono viene ricreato quando tutti questi valori istantanei si verificano in successione.

Con la modulazione digitale, la situazione è completamente diversa. Non abbiamo a che fare con ampiezze istantanee ma piuttosto con una sequenza di ampiezze che rappresenta un'informazione discreta, vale a dire un numero (uno o zero). 

Ogni sequenza di ampiezze - chiamata simbolo, con una durata pari a un periodo di bit - deve essere distinta dalle sequenze precedenti e seguenti: Se l'emittente (dall'esempio precedente) utilizzava la modulazione digitale e il ricevitore si accendeva e iniziava a demodulare a un momento casuale, cosa accadrebbe? 

Bene, se il ricevitore iniziasse a demodularsi nel mezzo di un simbolo, proverebbe a interpretare metà di un simbolo e metà del simbolo seguente. Ciò comporterebbe ovviamente errori; un simbolo della logica uno seguito da un simbolo della logica zero avrebbe le stesse possibilità di essere interpretato come uno o uno zero.

Chiaramente, quindi, la sincronizzazione deve essere una priorità in qualsiasi sistema RF digitale. Un approccio semplice alla sincronizzazione è quello di precedere ogni pacchetto con una "sequenza di addestramento" predefinita composta da simboli zero alternati e simboli uno (come nel diagramma sopra). Il ricevitore può usare queste transizioni uno-zero-uno-zero per identificare il confine temporale tra i simboli, e quindi il resto dei simboli nel pacchetto può essere interpretato correttamente semplicemente applicando la durata predefinita dei simboli del sistema.

L'effetto della moltiplicazione
Come accennato in precedenza, un passo fondamentale nella demodulazione del PSK è la moltiplicazione. Più specificamente, moltiplichiamo un segnale BPSK in arrivo per un segnale di riferimento con frequenza uguale alla frequenza portante. Cosa compie questo? Diamo un'occhiata alla matematica; in primo luogo, il prodotto identifica per due funzioni seno:

 

Se trasformiamo queste generiche funzioni sinusoidali in segnali con una frequenza e una fase, abbiamo quanto segue:

Semplificando, abbiamo:

Quindi, quando moltiplichiamo due sinusoidi di uguale frequenza ma diversa fase, il risultato è una sinusoide del doppio della frequenza più un offset che dipende dalla differenza tra le due fasi. 

L'offset è la chiave: se la fase del segnale ricevuto è uguale alla fase del segnale di riferimento, abbiamo cos (0 °), che equivale a 1. Se la fase del segnale ricevuto è diversa di 180 ° dalla fase di il segnale di riferimento, abbiamo cos (180 °), che è -1. Pertanto, l'uscita del moltiplicatore avrà uno scostamento CC positivo per uno dei valori binari e uno scostamento CC negativo per l'altro valore binario. Questo offset può essere utilizzato per interpretare ogni simbolo come zero o uno.

Conferma della simulazione
Il seguente circuito di modulazione e demodulazione BPSK mostra come è possibile creare un segnale BPSK in LTspice:

Due sorgenti sinusoidali (una con fase = 0 ° e una con fase = 180 °) sono collegate a due interruttori controllati in tensione. Entrambi gli interruttori hanno lo stesso segnale di controllo ad onda quadra e le resistenze on e off sono configurate in modo tale che una sia aperta mentre l'altra è chiusa. I terminali di "uscita" dei due interruttori sono collegati insieme e l'amplificatore operazionale bufferizza il segnale risultante, che assomiglia a questo:




Successivamente, abbiamo una sinusoide di riferimento (V4) con frequenza uguale alla frequenza della forma d'onda BPSK, e quindi utilizziamo una sorgente di tensione comportamentale arbitraria per moltiplicare il segnale BPSK per il segnale di riferimento. Ecco il risultato:




Come puoi vedere, il segnale demodulato è il doppio della frequenza del segnale ricevuto e ha un offset CC positivo o negativo in base alla fase di ciascun simbolo. Se poi integriamo questo segnale rispetto a ciascun periodo di bit, avremo un segnale digitale che corrisponde ai dati originali.

Rilevamento coerente
In questo esempio, la fase del segnale di riferimento del ricevitore è sincronizzata con la fase del segnale modulato in entrata. Ciò è facilmente realizzabile in una simulazione; è significativamente più difficile nella vita reale. Inoltre, come discusso in questa pagina sotto "Codifica differenziale", la normale codifica a sfasamento non può essere utilizzata in sistemi soggetti a imprevedibili differenze di fase tra trasmettitore e ricevitore. 

Ad esempio, se il segnale di riferimento del ricevitore è sfasato di 90 ° rispetto al portante del trasmettitore, la differenza di fase tra il segnale di riferimento e il segnale BPSK sarà sempre di 90 ° e cos (90 °) è 0. Pertanto, l'offset CC è perso e il sistema è completamente non funzionante.

Ciò può essere confermato cambiando la fase della sorgente V4 a 90 °; ecco il risultato:

Sommario
* La demodulazione digitale richiede la sincronizzazione del periodo di bit; il ricevitore deve essere in grado di identificare i confini tra simboli adiacenti.

* I segnali binari di sfasamento della fase possono essere demodulati tramite moltiplicazione seguita da integrazione. Il segnale di riferimento utilizzato nella fase di moltiplicazione ha la stessa frequenza del vettore del trasmettitore.

* La normale commutazione di sfasamento è affidabile solo quando la fase del segnale di riferimento del ricevitore può mantenere la sincronizzazione con la fase del portatore del trasmettitore.

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