Làm thế nào để giải điều chế pha kỹ thuật số

Giải điều chế tần số vô tuyến
Tìm hiểu về cách trích xuất dữ liệu kỹ thuật số gốc từ dạng sóng khóa pha.

Trong hai trang trước, chúng tôi đã thảo luận về các hệ thống để thực hiện giải điều chế tín hiệu AM và FM mang dữ liệu tương tự, chẳng hạn như âm thanh (không số hóa). Bây giờ chúng tôi đã sẵn sàng xem xét cách khôi phục thông tin gốc đã được mã hóa thông qua loại điều chế chung thứ ba, cụ thể là điều chế pha.

Tuy nhiên, điều chế pha tương tự không phổ biến, trong khi điều chế pha kỹ thuật số là rất phổ biến. Do đó, sẽ hợp lý hơn khi khám phá giải điều chế PM trong bối cảnh truyền thông RF kỹ thuật số. Chúng ta sẽ khám phá chủ đề này bằng cách sử dụng khóa dịch pha nhị phân (BPSK); tuy nhiên, thật tốt khi biết rằng khóa dịch pha cầu phương (QPSK) phù hợp hơn với các hệ thống không dây hiện đại.

Như tên của nó, khóa dịch pha nhị phân thể hiện dữ liệu số bằng cách gán một pha cho nhị phân 0 và một pha khác cho nhị phân 1. Hai pha được phân tách bằng 180 ° để tối ưu hóa độ chính xác giải điều chế Cách ly nhiều hơn giữa hai giá trị pha giúp dễ dàng hơn để giải mã các ký hiệu.

Nhân và tích hợp trên mạng và đồng bộ hóa
Bộ giải mã BPSK bao gồm chủ yếu hai khối chức năng: số nhân và bộ tích phân. Hai thành phần này sẽ tạo ra một tín hiệu tương ứng với dữ liệu nhị phân gốc. Tuy nhiên, mạch đồng bộ hóa cũng cần thiết, bởi vì máy thu phải có khả năng xác định ranh giới giữa các chu kỳ bit. Đây là một sự khác biệt quan trọng giữa giải điều chế tương tự và giải điều chế kỹ thuật số, vì vậy hãy xem xét kỹ hơn.

 

Trong giải điều chế tương tự, tín hiệu không thực sự có điểm bắt đầu hay kết thúc. Hãy tưởng tượng một máy phát FM đang phát tín hiệu âm thanh, tức là tín hiệu liên tục thay đổi theo nhạc. Bây giờ hãy tưởng tượng một máy thu FM ban đầu bị tắt. 

Người dùng có thể cấp nguồn cho máy thu bất cứ lúc nào và mạch giải điều chế sẽ bắt đầu trích xuất tín hiệu âm thanh từ sóng mang được điều chế. Tín hiệu trích xuất có thể được khuếch đại và gửi đến loa và âm nhạc sẽ phát ra bình thường. 

Người nhận không biết liệu tín hiệu âm thanh đại diện cho phần đầu hoặc phần cuối của bài hát, hoặc nếu mạch giải điều chế bắt đầu hoạt động khi bắt đầu đo, hoặc ngay trên nhịp, hoặc ở giữa hai nhịp. Nó không thành vấn đề; mỗi giá trị điện áp tức thời tương ứng với một thời điểm chính xác trong tín hiệu âm thanh và âm thanh được tạo lại khi tất cả các giá trị tức thời này xảy ra liên tiếp.

Với điều chế kỹ thuật số, tình hình hoàn toàn khác. Chúng tôi không xử lý các biên độ tức thời mà là một chuỗi các biên độ đại diện cho một phần thông tin riêng biệt, cụ thể là một số (một hoặc không). 

Mỗi chuỗi biên độ được gọi là một biểu tượng, với thời lượng bằng một chu kỳ bit phải được phân biệt với các chuỗi trước và sau: Nếu đài phát (từ ví dụ trên) đang sử dụng điều chế kỹ thuật số và máy thu được cấp nguồn và bắt đầu giải điều chế tại một thời điểm ngẫu nhiên, điều gì sẽ xảy ra? 

Chà, nếu người nhận tình cờ bắt đầu giải điều chế ở giữa một biểu tượng, thì nó sẽ cố gắng diễn giải một nửa của một biểu tượng và một nửa biểu tượng sau đây. Điều này, tất nhiên, sẽ dẫn đến lỗi; một biểu tượng logic-một theo sau là biểu tượng logic-XNUMX sẽ có cơ hội được hiểu là bằng một hoặc bằng không.

Rõ ràng, sau đó, đồng bộ hóa phải là ưu tiên trong bất kỳ hệ thống RF kỹ thuật số nào. Một cách tiếp cận đơn giản để đồng bộ hóa là đi trước mỗi gói với một chuỗi đào tạo được xác định trước, có thể bao gồm các ký hiệu XNUMX xen kẽ và một ký hiệu (như trong sơ đồ trên). Người nhận có thể sử dụng các chuyển tiếp một không một không một này để xác định ranh giới tạm thời giữa các ký hiệu và sau đó các ký hiệu còn lại trong gói có thể được hiểu một cách chính xác chỉ bằng cách áp dụng thời lượng ký hiệu được xác định trước của hệ thống.

Tác dụng của phép nhân
Như đã đề cập ở trên, một bước cơ bản trong giải điều chế PSK là nhân. Cụ thể hơn, chúng tôi nhân tín hiệu BPSK đến với tín hiệu tham chiếu có tần số bằng tần số sóng mang. Điều này thực hiện được những gì? Hãy nhìn vào toán học; đầu tiên, sản phẩm xác định hai chức năng sin:

 

Nếu chúng ta biến các hàm sin chung này thành các tín hiệu có tần số và pha, chúng ta có:

Đơn giản hóa, chúng ta có:

Vì vậy, khi chúng ta nhân hai hình sin có tần số bằng nhau nhưng pha khác nhau, kết quả là hình sin có tần số gấp đôi cộng với độ lệch phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa hai pha. 

Giá trị bù là chìa khóa: Nếu pha của tín hiệu thu được bằng pha của tín hiệu tham chiếu, chúng ta có cos (0 °), bằng 1. Nếu pha của tín hiệu thu được khác 180 độ so với pha của tín hiệu tham chiếu, chúng ta có cos (180 °), là1. Do đó, đầu ra của hệ số nhân sẽ có bù DC dương cho một trong các giá trị nhị phân và bù DC âm cho giá trị nhị phân khác. Phần bù này có thể được sử dụng để diễn giải mỗi ký hiệu là XNUMX hoặc XNUMX.

Xác nhận mô phỏng
Mạch điều chế và giải điều chế BPSK sau đây cho bạn thấy cách bạn có thể tạo tín hiệu BPSK trong LTspice:

Hai nguồn hình sin (một có pha = 0 ° và một nguồn có pha = 180 °) được kết nối với hai công tắc điều khiển điện áp. Cả hai công tắc đều có cùng tín hiệu điều khiển sóng vuông và các điện trở bật và tắt được cấu hình sao cho một công tắc được mở trong khi công tắc còn lại đóng. Các đầu ra của các đầu ra của các đầu ra của hai công tắc được gắn với nhau và op-amp đệm tín hiệu kết quả, trông giống như sau:




Tiếp theo, chúng ta có một hình sin tham chiếu (V4) với tần số bằng tần số của dạng sóng BPSK, và sau đó chúng ta sử dụng nguồn điện áp hành vi tùy ý để nhân tín hiệu BPSK với tín hiệu tham chiếu. Đây là kết quả:




Như bạn có thể thấy, tín hiệu được giải điều chế gấp đôi tần số của tín hiệu thu được và nó có độ lệch DC dương hoặc âm theo pha của từng ký hiệu. Sau đó, nếu chúng tôi tích hợp tín hiệu này theo từng giai đoạn bit, chúng tôi sẽ có tín hiệu kỹ thuật số tương ứng với dữ liệu gốc.

Phát hiện mạch lạc
Trong ví dụ này, pha của tín hiệu tham chiếu của máy thu được đồng bộ hóa với pha của tín hiệu điều chế đến. Điều này dễ dàng được thực hiện trong một mô phỏng; nó khó khăn hơn nhiều trong cuộc sống thực. Hơn nữa, như đã thảo luận trong trang này trong phần Mã hóa vi sai, có thể sử dụng khóa dịch chuyển pha thông thường trong các hệ thống có sự khác biệt về pha không thể đoán trước giữa máy phát và máy thu. 

Ví dụ: nếu tín hiệu tham chiếu của máy thu lệch pha 90 ° với sóng mang của máy phát, độ lệch pha giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu BPSK sẽ luôn là 90 ° và cos (90 °) là 0. Do đó, độ lệch DC là bị mất, và hệ thống hoàn toàn không hoạt động.

Điều này có thể được xác nhận bằng cách thay đổi pha của nguồn V4 thành 90 °; đây là kết quả:

Tổng kết
* Giải điều chế kỹ thuật số yêu cầu đồng bộ hóa thời gian bit; người nhận phải có khả năng xác định ranh giới giữa các ký hiệu liền kề.

* Tín hiệu khóa nhị phân pha-dịch chuyển có thể được giải điều chế thông qua phép nhân sau khi tích hợp. Tín hiệu tham chiếu được sử dụng trong bước nhân có cùng tần số với sóng mang của máy phát.

* Khóa dịch pha thông thường chỉ đáng tin cậy khi pha của tín hiệu tham chiếu của máy thu có thể duy trì đồng bộ hóa với pha của sóng mang của máy phát.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn