Cara Mendemodulasi Modulasi Fase Digital

Demodulasi Frekuensi Radio
Pelajari tentang cara mengekstrak data digital asli dari bentuk gelombang fase-shift-keying.

Dalam dua halaman sebelumnya kami membahas sistem untuk melakukan demodulasi sinyal AM dan FM yang membawa data analog, seperti audio (non-digital). Sekarang kita siap untuk melihat bagaimana memulihkan informasi asli yang telah dikodekan melalui jenis modulasi umum ketiga, yaitu modulasi fase.

Namun, modulasi fase analog tidak umum, sedangkan modulasi fase digital sangat umum. Dengan demikian, lebih masuk akal untuk mengeksplorasi demodulasi PM dalam konteks komunikasi RF digital. Kami akan mengeksplorasi topik ini menggunakan kunci pengalihan fase biner (BPSK); namun, perlu diperhatikan bahwa key shift fase penguncian (QPSK) lebih relevan dengan sistem nirkabel modern.

Sesuai namanya, penguncian shift fase biner mewakili data digital dengan menetapkan satu fase ke biner 0 dan fase berbeda ke biner 1. Kedua fase dipisahkan oleh 180 ° untuk mengoptimalkan akurasi demodulasi — lebih banyak pemisahan antara dua nilai fase membuatnya lebih mudah untuk memecahkan kode simbol.

Gandakan dan Integrasikan — dan Sinkronkan
Demodulator BPSK terutama terdiri dari dua blok fungsional: pengganda dan integrator. Kedua komponen ini akan menghasilkan sinyal yang sesuai dengan data biner asli. Namun, sirkuit sinkronisasi juga diperlukan, karena penerima harus dapat mengidentifikasi batas antara periode bit. Ini adalah perbedaan penting antara demodulasi analog dan demodulasi digital, jadi mari kita lihat lebih dekat.

 

Dalam demodulasi analog, sinyal tidak benar-benar memiliki awal atau akhir. Bayangkan sebuah pemancar FM yang menyiarkan sinyal audio, yaitu sinyal yang terus-menerus bervariasi sesuai dengan musik. Sekarang bayangkan penerima FM yang pada awalnya dimatikan. 

Pengguna dapat menyalakan penerima setiap saat, dan sirkuit demodulasi akan mulai mengekstraksi sinyal audio dari pembawa termodulasi. Sinyal yang diekstraksi dapat diperkuat dan dikirim ke speaker, dan musik akan terdengar normal. 

Penerima tidak tahu apakah sinyal audio mewakili awal atau akhir lagu, atau jika sirkuit demodulasi mulai berfungsi pada awal pengukuran, atau tepat pada irama, atau di antara dua ketukan. Itu tidak masalah; setiap nilai tegangan sesaat sesuai dengan satu momen yang tepat dalam sinyal audio, dan suara diciptakan kembali ketika semua nilai sesaat ini terjadi secara berurutan.

Dengan modulasi digital, situasinya benar-benar berbeda. Kami tidak berurusan dengan amplitudo sesaat melainkan urutan amplitudo yang mewakili satu informasi terpisah, yaitu angka (satu atau nol). 

Setiap urutan amplitudo - disebut simbol, dengan durasi yang sama dengan periode satu bit - harus dibedakan dari urutan sebelumnya dan berikut: Jika penyiar (dari contoh di atas) menggunakan modulasi digital dan penerima diaktifkan dan mulai didemodulasi pada titik waktu yang acak, apa yang akan terjadi? 

Nah, jika penerima kebetulan mulai mendemodulasi di tengah simbol, itu akan mencoba untuk menafsirkan setengah dari satu simbol dan setengah dari simbol berikut. Ini tentu saja akan menyebabkan kesalahan; simbol logika-satu diikuti oleh simbol logika-nol akan memiliki peluang yang sama untuk ditafsirkan sebagai simbol satu atau nol.

Maka, sinkronisasi harus menjadi prioritas dalam sistem RF digital apa pun. Salah satu pendekatan langsung untuk sinkronisasi adalah untuk mendahului setiap paket dengan "urutan pelatihan" yang telah ditentukan yang terdiri dari simbol nol bergantian dan satu simbol (seperti dalam diagram di atas). Penerima dapat menggunakan transisi satu-nol-satu-nol ini untuk mengidentifikasi batas temporal antara simbol, dan kemudian sisa simbol dalam paket dapat diinterpretasikan dengan benar hanya dengan menerapkan durasi simbol yang telah ditentukan sistem.

Pengaruh Penggandaan
Seperti disebutkan di atas, langkah mendasar dalam demodulasi PSK adalah penggandaan. Lebih khusus lagi, kami mengalikan sinyal BPSK yang masuk dengan sinyal referensi dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi pembawa. Apa yang dicapai ini? Mari kita lihat matematika; pertama, produk mengidentifikasi dua fungsi sinus:

 

Jika kita mengubah fungsi sinus generik ini menjadi sinyal dengan frekuensi dan fase, kita memiliki yang berikut:

Penyederhanaan, kami memiliki:

Jadi ketika kita mengalikan dua sinusoid dengan frekuensi yang sama tetapi fase yang berbeda, hasilnya adalah sinusoid dari frekuensi ganda ditambah offset yang tergantung pada perbedaan antara dua fase. 

Offset adalah kuncinya: Jika fase sinyal yang diterima sama dengan fase sinyal referensi, kita memiliki cos (0 °), yang sama dengan 1. Jika fase sinyal yang diterima 180 ° berbeda dari fase sinyal referensi, kita memiliki cos (180 °), yaitu -1. Dengan demikian, output dari pengali akan memiliki offset DC positif untuk salah satu nilai biner dan offset DC negatif untuk nilai biner lainnya. Offset ini dapat digunakan untuk menafsirkan setiap simbol sebagai nol atau satu.

Konfirmasi Simulasi
Rangkaian modulasi-dan-demodulasi BPSK berikut ini menunjukkan kepada Anda bagaimana Anda dapat membuat sinyal BPSK di LTspice:

Dua sumber sinus (satu dengan fase = 0 ° dan satu dengan fase = 180 °) dihubungkan ke dua sakelar yang dikendalikan tegangan. Kedua sakelar memiliki sinyal kontrol gelombang persegi yang sama, dan resistansi on dan off dikonfigurasikan sedemikian rupa sehingga yang satu terbuka sementara yang lainnya ditutup. Terminal "output" dari kedua sakelar dihubungkan bersama, dan op-amp menyangga sinyal yang dihasilkan, yang terlihat seperti ini:




Selanjutnya, kami memiliki referensi sinusoid (V4) dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gelombang BPSK, dan kemudian kami menggunakan sumber tegangan perilaku sewenang-wenang untuk melipatgandakan sinyal BPSK dengan sinyal referensi. Inilah hasilnya:




Seperti yang Anda lihat, sinyal yang didemodulasi adalah dua kali lipat frekuensi dari sinyal yang diterima, dan memiliki offset DC positif atau negatif sesuai dengan fase masing-masing simbol. Jika kemudian kami mengintegrasikan sinyal ini sehubungan dengan setiap periode bit, kami akan memiliki sinyal digital yang sesuai dengan data asli.

Deteksi yang koheren
Dalam contoh ini, fase sinyal referensi penerima disinkronkan dengan fase sinyal termodulasi yang masuk. Ini mudah dilakukan dalam simulasi; secara signifikan lebih sulit dalam kehidupan nyata. Selanjutnya, seperti yang dibahas dalam halaman ini di bawah "Pengkodean Diferensial," penguncian shift fase biasa tidak dapat digunakan dalam sistem yang mengalami perbedaan fase yang tidak dapat diprediksi antara pemancar dan penerima. 

Misalnya, jika sinyal referensi penerima adalah 90 ° dari fase dengan pembawa pemancar, perbedaan fase antara referensi dan sinyal BPSK akan selalu menjadi 90 °, dan cos (90 °) adalah 0. Dengan demikian, offset DC adalah hilang, dan sistem ini sepenuhnya tidak berfungsi.

Ini dapat dikonfirmasi dengan mengubah fase sumber V4 menjadi 90 °; inilah hasilnya:

Kesimpulan
* Demodulasi digital membutuhkan sinkronisasi periode-bit; penerima harus dapat mengidentifikasi batas antara simbol yang berdekatan.

* Sinyal binary-phase-shift-keying dapat didemodulasi melalui perkalian diikuti oleh integrasi. Sinyal referensi yang digunakan dalam langkah perkalian memiliki frekuensi yang sama dengan pembawa pemancar.

* Pengalihan-fasa-fase biasa hanya dapat diandalkan ketika fase sinyal referensi penerima dapat mempertahankan sinkronisasi dengan fase pembawa pemancar.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan