כיצד לפענח אפנון שלב דיגיטלי

פרוטוקול תדרים ברדיו
למדו כיצד לחלץ את הנתונים הדיגיטליים המקוריים מצורת גל המפתח לשינוי שלב.

בשני העמודים הקודמים דנו במערכות לביצוע פרודולציה של אותות AM ו- FM הנושאים נתונים אנלוגיים, כגון שמע (לא דיגיטלי). כעת אנו מוכנים לבדוק כיצד ניתן לשחזר מידע מקורי אשר מקודד באמצעות סוג המודולציה השלישי, כלומר אפנון שלב.

עם זאת, אפנון שלב אנלוגי אינו נפוץ, ואילו אפנון שלב דיגיטלי נפוץ מאוד. לפיכך, הגיוני יותר לחקור את הדמודולציה של ראש הממשלה בהקשר של תקשורת RF דיגיטלית. נחקור נושא זה באמצעות מקש החלפת פאזות בינאריות (BPSK); עם זאת, טוב להיות מודע לכך שמקש החלפת פאזות ריבוע (QPSK) רלוונטי יותר למערכות אלחוטיות מודרניות.

כפי שהשם מרמז, מקש העברת פאזה בינארית מייצג נתונים דיגיטליים על ידי הקצאת שלב אחד ל- 0 בינארי ושלב שונה לבינארי 1. שני השלבים מופרדים על ידי 180 ° בכדי לייעל את דיוק הדמולציה - הפרדה רבה יותר בין שני ערכי הפאזה מקלה על כך לפענח את הסמלים.

הכפל ושילב - וסנכרן
Demodulator BPSK מורכב בעיקר משני בלוקים פונקציונליים: מכפיל ואינטגרטור. שני רכיבים אלה יפיקו אות שמתאים לנתונים הבינאריים המקוריים. עם זאת, יש צורך גם במעגלי סנכרון מכיוון שעל המקלט להיות מסוגל לזהות את הגבול בין תקופות סיביות. זהו הבדל חשוב בין פרודולציה אנלוגית לדגולציה דיגיטלית, אז בואו נסתכל מקרוב.

 

בפירוד אנלוגי, לאות אין באמת התחלה או סוף. דמיין משדר FM המשדר אות שמע, כלומר אות שמשתנה ברציפות בהתאם למוזיקה. עכשיו דמיין מקלט FM שמכובה בתחילה. 

המשתמש יכול להפעיל את המקלט בכל רגע נתון, ומעגלי הדמולולציה יתחילו לחלץ את אות השמע מהמנשא המודול. ניתן להגביר את האות שחולץ ולשלוח לרמקול והמוזיקה תישמע תקינה. 

למקלט אין מושג אם אות השמע מייצג את ההתחלה או הסוף של שיר, או אם מעגלי ההפענול מתחילים לפעול בתחילת מידה, או ממש על הקצב, או בין שני פעימות. זה לא משנה; כל ערך מתח מיידי מתאים לרגע מדויק אחד באות השמע, והצליל נוצר מחדש כאשר כל הערכים המידיים הללו מתרחשים ברצף.

עם אפנון דיגיטלי המצב שונה לחלוטין. איננו עוסקים במשרדי amplitude מיידיים אלא ברצף של אמפליטודות המייצג פיסת מידע נפרדת אחת, כלומר מספר (אחד או אפס). 

יש להבדיל בין כל רצף של אמפליטודות - המכונה סמל, עם משך זמן שווה לתקופת ביט אחת - מהרצפים שקדמו להלן: אם השדרן (מהדוגמה לעיל) השתמש במודולציה דיגיטלית והמקלט הופעל והתחיל לבצע הדודולציה ב נקודת זמן אקראית, מה יקרה? 

ובכן, אם המקלט החל במקרה של הדודולציה באמצע סמל, הוא היה מנסה לפרש מחצית מסמל אחד ומחצית מהסמל הבא. זה כמובן יביא לטעויות; סמל לוגיקי אחד ואחריו סמל אפס היגיון יהיה סיכוי שווה להתפרש כאחד או כאפס.

ברור, אם כן, סנכרון חייב להיות בעדיפות בכל מערכת RF דיגיטלית. גישה אחת ישירה לסנכרון היא להקדים לכל חבילה "רצף אימונים" מוגדר מראש המורכב מסמלי אפס לסירוגין וסמלים אחד (כמו בתרשים לעיל). המקלט יכול להשתמש במעברים אלה-אפס-אחד-אפס כדי לזהות את הגבול הזמני בין סמלים ואז ניתן לפרש את שאר הסמלים במנה כהלכה על ידי יישום משך הסמל המוגדר מראש של המערכת.

השפעת הכפל
כאמור, שלב מהותי בפענוח PSK הוא כפל. ליתר דיוק, אנו מכפילים אות BPSK נכנס באמצעות אות הפניה בתדר שווה לתדר הספק. מה זה משיג? בואו נסתכל על המתמטיקה; ראשית, המוצר מזהה שתי פונקציות סינוס:

 

אם אנו הופכים את פונקציות הסינוס הגנריות לאותות עם תדר ושלב, יש לנו את הדברים הבאים:

לפשט, יש לנו:

כך שכאשר אנו מכפילים שני סינוסואידים בעלי תדר שווה אך שלב שונה, התוצאה היא סינוסואיד של כפול מהתדר פלוס קיזוז התלוי בהבדל בין שני השלבים. 

הקיזוז הוא המפתח: אם השלב של האות שהתקבל שווה לשלב של אות ההתייחסות, יש לנו cos (0 °), שזה שווה ל 1. אם השלב של האות שהתקבל הוא 180 ° שונה מהשלב של לאות ההתייחסות, יש לנו cos (180 °) שהוא -1. לפיכך, לפלט של המכפיל יהיה קיזוז DC חיובי לאחד הערכים הבינאריים וקיזוז DC שלילי לערך הבינארי האחר. ניתן להשתמש בקיזוז זה כדי לפרש כל סמל כאפס או כאחד.

אישור סימולציה
מעגל אפנון ודגולציה של BPSK הבא מראה לך כיצד ניתן ליצור אות BPSK ב- LTspice:

שני מקורות סינוס (אחד עם שלב = 0 ° ואחד עם פאזה = 180 °) מחוברים לשני מתגים מבוקרי מתח. לשני המתגים יש אותו אות בקרת גל מרובע, והתנגדות ההפעלה והכיבוי מוגדרות כך שהאחת פתוחה בעוד השנייה סגורה. מסופי ה"פלט "של שני המתגים קשורים זה לזה, ומגבר ה- OP מגביל את האות שנוצר, שנראה כך:




בשלב הבא יש לנו סינוסואידי התייחסות (V4) עם תדר השווה לתדר של צורת הגל BPSK ואז אנו משתמשים במקור מתח התנהגותי שרירותי בכדי להכפיל את אות BPSK בסימני הייחוס. הנה התוצאה:




כפי שאתה יכול לראות, האות שפורק הוא כפול מהתדר של האות שהתקבל, ויש לו קיזוז DC חיובי או שלילי בהתאם לשלב של כל סמל. אם נשלב איתות זה ביחס לכל תקופת ביט, יהיה לנו אות דיגיטלי התואם לנתונים המקוריים.

איתור קוהרנטי
בדוגמה זו, שלב אות ההתייחסות של המקלט מסונכרן עם שלב האות המודולציה הנכנס. ניתן להשיג זאת בקלות בסימולציה; זה קשה באופן משמעותי בחיים האמיתיים. יתר על כן, כפי שנדון בעמוד זה תחת "קידוד דיפרנציאלי", לא ניתן להשתמש במפתח מעבר רגיל לשלב במערכות הנתונות להבדלי פאזה בלתי צפויים בין משדר ומקלט. 

לדוגמה, אם אות ההתייחסות של המקלט הוא 90 מעלות מהשלב עם המוביל של המשדר, הפרש השלבים בין הפניה לאות BPSK תמיד יהיה 90 °, ו- cos (90 °) הוא 0. לפיכך, קיזוז DC הוא אבוד, והמערכת אינה תקינה לחלוטין.

ניתן לאשר זאת על ידי שינוי שלב המקור V4 ל 90 °; הנה התוצאה:

<br> סיכום
* פרודוקציה דיגיטלית דורשת סנכרון של תקופת סיביות; על המקלט להיות מסוגל לזהות את הגבולות בין סמלים סמוכים.

* ניתן לפענח אותות מקש בינוניים-משמרת-מעבר באמצעות כפל ולאחריה שילוב. לאות ההתייחסות המשמש בשלב הכפל יש תדר זהה למוביל המשדר.

* מקש מעבר-שלב רגיל אמין רק כאשר שלב האות הפניה של המקלט יכול לשמור על סנכרון עם שלב המוביל של המשדר.

השאר הודעה 

רשימת הודעות