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Comment démoduler la modulation de phase numérique

Date:2020/5/22 14:38:27 Hits:


Démodulation radiofréquence
Découvrez comment extraire les données numériques d'origine à partir d'une forme d'onde à décalage de phase.

Dans les deux pages précédentes, nous avons discuté des systèmes pour effectuer la démodulation des signaux AM et FM qui transportent des données analogiques, telles que l'audio (non numérisé). Nous sommes maintenant prêts à regarder comment récupérer des informations originales qui ont été encodées via le troisième type général de modulation, à savoir la modulation de phase.

Cependant, la modulation de phase analogique n'est pas courante, tandis que la modulation de phase numérique est très courante. Ainsi, il est plus logique d'explorer la démodulation des PM dans le contexte de la communication RF numérique. Nous explorerons ce sujet à l'aide de la clé à décalage de phase binaire (BPSK); cependant, il est bon de savoir que la clé à décalage de phase en quadrature (QPSK) est plus pertinente pour les systèmes sans fil modernes.

Comme son nom l'indique, la saisie de décalage de phase binaire représente les données numériques en affectant une phase au binaire 0 et une phase différente au binaire 1. Les deux phases sont séparées de 180 ° pour optimiser la précision de la démodulation - une séparation plus importante entre les deux valeurs de phase facilite la tâche pour décoder les symboles.

Multipliez et intégrez - et synchronisez
Un démodulateur BPSK se compose principalement de deux blocs fonctionnels: un multiplicateur et un intégrateur. Ces deux composants produiront un signal qui correspond aux données binaires d'origine. Cependant, des circuits de synchronisation sont également nécessaires, car le récepteur doit être en mesure d'identifier la frontière entre les périodes binaires. Il s'agit d'une différence importante entre la démodulation analogique et la démodulation numérique, alors examinons de plus près.


Ce diagramme montre un signal de décalage de fréquence, buLe même concept s'applique à la modulation de phase numérique et à la modulation d'amplitude numérique.



En démodulation analogique, le signal n'a pas vraiment de début ni de fin. Imaginez un émetteur FM qui diffuse un signal audio, c'est-à-dire un signal qui varie continuellement en fonction de la musique. Imaginez maintenant un récepteur FM initialement éteint.


L'utilisateur peut mettre le récepteur sous tension à tout moment et le circuit de démodulation commencera à extraire le signal audio de la porteuse modulée. Le signal extrait peut être amplifié et envoyé à un haut-parleur, et la musique sonnera normalement.


Le récepteur n'a aucune idée si le signal audio représente le début ou la fin d'un morceau, ou si le circuit de démodulation commence à fonctionner au début d'une mesure, ou directement sur le temps, ou entre deux temps. Ce n'est pas grave; chaque valeur de tension instantanée correspond à un moment exact du signal audio et le son est recréé lorsque toutes ces valeurs instantanées se produisent successivement.

Avec la modulation numérique, la situation est complètement différente. Il ne s'agit pas d'amplitudes instantanées mais plutôt d'une séquence d'amplitudes qui représente une information discrète, à savoir un nombre (un ou zéro).


Chaque séquence d'amplitudes - appelée symbole, d'une durée égale à une période de bits - doit être distinguée des séquences précédente et suivante: si le diffuseur (de l'exemple ci-dessus) utilisait la modulation numérique et que le récepteur était mis sous tension et commençait à démoduler à un moment aléatoire, que se passerait-il?


Eh bien, si le récepteur commençait à démoduler au milieu d'un symbole, il essaierait d'interpréter la moitié d'un symbole et la moitié du symbole suivant. Cela entraînerait, bien sûr, des erreurs; un symbole logique un suivi d'un symbole logique zéro aurait une chance égale d'être interprété comme un ou un zéro.

Il est donc clair que la synchronisation doit être une priorité dans tout système RF numérique. Une approche simple de la synchronisation consiste à faire précéder chaque paquet d'une «séquence d'apprentissage» prédéfinie consistant à alterner zéro symbole et un symbole (comme dans le diagramme ci-dessus). Le récepteur peut utiliser ces transitions un à zéro à un pour identifier la frontière temporelle entre les symboles, puis les autres symboles du paquet peuvent être interprétés correctement simplement en appliquant la durée de symbole prédéfinie du système.

L'effet de la multiplication
Comme mentionné ci-dessus, une étape fondamentale de la démodulation PSK est la multiplication. Plus précisément, nous multiplions un signal BPSK entrant par un signal de référence de fréquence égale à la fréquence porteuse. Qu'est-ce que cela accomplit? Regardons les mathématiques; tout d'abord, le produit identifie deux fonctions sinus:



Si nous transformons ces fonctions sinus génériques en signaux avec une fréquence et une phase, nous avons ce qui suit:




Pour simplifier, nous avons:






Ainsi, lorsque nous multiplions deux sinusoïdes de fréquence égale mais de phase différente, le résultat est une sinusoïde de double de la fréquence plus un décalage qui dépend de la différence entre les deux phases.



Le décalage est la clé: si la phase du signal reçu est égale à la phase du signal de référence, nous avons cos (0 °), ce qui équivaut à 1. Si la phase du signal reçu est 180 ° différente de la phase de le signal de référence, nous avons cos (180 °), qui est –1. Ainsi, la sortie du multiplicateur aura un décalage DC positif pour l'une des valeurs binaires et un décalage DC négatif pour l'autre valeur binaire. Ce décalage peut être utilisé pour interpréter chaque symbole comme un zéro ou un.

Confirmation de la simulation
Le circuit de modulation et de démodulation BPSK suivant vous montre comment créer un signal BPSK dans LTspice:



Deux sources sinusoïdales (une avec phase = 0 ° et une avec phase = 180 °) sont connectées à deux interrupteurs commandés en tension. Les deux commutateurs ont le même signal de commande rectangulaire, et les résistances de marche et d'arrêt sont configurées de telle sorte que l'un est ouvert tandis que l'autre est fermé. Les bornes de «sortie» des deux commutateurs sont liées ensemble, et l'ampli op met en mémoire tampon le signal résultant, qui ressemble à ceci:




Ensuite, nous avons une sinusoïde de référence (V4) avec une fréquence égale à la fréquence de la forme d'onde BPSK, puis nous utilisons une source de tension comportementale arbitraire pour multiplier le signal BPSK par le signal de référence. Voici le résultat:




Comme vous pouvez le voir, le signal démodulé est le double de la fréquence du signal reçu, et il a un décalage DC positif ou négatif en fonction de la phase de chaque symbole. Si nous intégrons ensuite ce signal par rapport à chaque période de bit, nous aurons un signal numérique qui correspond aux données d'origine.

Détection cohérente
Dans cet exemple, la phase du signal de référence du récepteur est synchronisée avec la phase du signal modulé entrant. Ceci est facilement accompli dans une simulation; c'est beaucoup plus difficile dans la vraie vie. En outre, comme indiqué dans cette page sous «Codage différentiel», la clé de déphasage ordinaire ne peut pas être utilisée dans des systèmes soumis à des différences de phase imprévisibles entre l'émetteur et le récepteur.



Par exemple, si le signal de référence du récepteur est déphasé de 90 ° par rapport à la porteuse de l'émetteur, la différence de phase entre la référence et le signal BPSK sera toujours de 90 ° et cos (90 °) est 0. Ainsi, le décalage DC est perdu, et le système est complètement non fonctionnel.

Cela peut être confirmé en modifiant la phase de la source V4 à 90 °; voici le résultat:



Résumé
* La démodulation numérique nécessite une synchronisation de période binaire; le récepteur doit être capable d'identifier les frontières entre les symboles adjacents.



* Les signaux binaires à décalage de phase peuvent être démodulés via une multiplication suivie d'une intégration. Le signal de référence utilisé dans l'étape de multiplication a la même fréquence que la porteuse de l'émetteur.


* Le déphasage ordinaire n'est fiable que lorsque la phase du signal de référence du récepteur peut maintenir la synchronisation avec la phase de la porteuse de l'émetteur.





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