Como desmodular a modulação de fase digital

Demodulação por Radiofrequência
Aprenda sobre como extrair os dados digitais originais de uma forma de onda de alteração de fase.

Nas duas páginas anteriores, discutimos sistemas para realizar a desmodulação de sinais AM e FM que transportam dados analógicos, como áudio (não digitalizado). Agora, estamos prontos para ver como recuperar informações originais que foram codificadas por meio do terceiro tipo geral de modulação, a saber, a modulação de fase.

No entanto, a modulação de fase analógica não é comum, enquanto a modulação de fase digital é muito comum. Assim, faz mais sentido explorar a desmodulação de MP no contexto da comunicação digital por RF. Vamos explorar este tópico usando a chave de mudança de fase binária (BPSK); No entanto, é bom estar ciente de que a codificação por mudança de fase em quadratura (QPSK) é mais relevante para os sistemas sem fio modernos.

Como o nome indica, a digitação de deslocamento de fase binária representa dados digitais atribuindo uma fase ao binário 0 e uma fase diferente ao binário 1. As duas fases são separadas por 180 ° para otimizar a precisão da desmodulação - mais separação entre os valores das duas fases facilita para decodificar os símbolos.

Multiplique e integre - e sincronize
Um desmodulador BPSK consiste principalmente em dois blocos funcionais: um multiplicador e um integrador. Esses dois componentes produzirão um sinal que corresponde aos dados binários originais. No entanto, o circuito de sincronização também é necessário, porque o receptor deve ser capaz de identificar o limite entre os períodos de bits. Essa é uma diferença importante entre a demodulação analógica e a demodulação digital, então vamos dar uma olhada mais de perto.

 

Na desmodulação analógica, o sinal realmente não tem começo nem fim. Imagine um transmissor de FM que esteja transmitindo um sinal de áudio, ou seja, um sinal que varia continuamente de acordo com a música. Agora imagine um receptor de FM inicialmente desligado. 

O usuário pode ligar o receptor a qualquer momento e o circuito de desmodulação começará a extrair o sinal de áudio da portadora modulada. O sinal extraído pode ser amplificado e enviado para um alto-falante, e a música soa normal. 

O receptor não tem idéia se o sinal de áudio representa o início ou o fim de uma música, ou se o circuito de desmodulação começa a funcionar no início de uma medida, ou na batida, ou entre duas batidas. Não importa; cada valor instantâneo de tensão corresponde a um momento exato no sinal de áudio e o som é recriado quando todos esses valores instantâneos ocorrem em sucessão.

Com a modulação digital, a situação é completamente diferente. Não estamos lidando com amplitudes instantâneas, mas com uma sequência de amplitudes que representa uma informação discreta, a saber, um número (um ou zero). 

Cada sequência de amplitudes - chamada símbolo, com duração igual a um período de bit - deve ser diferenciada das sequências anterior e seguinte: Se a emissora (do exemplo acima) estava usando modulação digital e o receptor foi ligado e começou a desmodular em um ponto aleatório no tempo, o que aconteceria? 

Bem, se o receptor começasse a desmodular no meio de um símbolo, estaria tentando interpretar metade de um símbolo e metade do símbolo a seguir. Obviamente, isso levaria a erros; um símbolo de lógica um seguido por um símbolo de lógica zero teria uma chance igual de ser interpretado como um ou zero.

Claramente, então, a sincronização deve ser uma prioridade em qualquer sistema de RF digital. Uma abordagem direta à sincronização é preceder cada pacote com uma "sequência de treinamento" predefinida que consiste em alternar símbolos zero e um símbolo (como no diagrama acima). O receptor pode usar essas transições um-zero-um-zero para identificar o limite temporal entre os símbolos e, em seguida, o restante dos símbolos no pacote pode ser interpretado adequadamente, simplesmente aplicando a duração predefinida do símbolo do sistema.

O efeito da multiplicação
Como mencionado acima, um passo fundamental na desmodulação do PSK é a multiplicação. Mais especificamente, multiplicamos um sinal BPSK recebido por um sinal de referência com frequência igual à frequência portadora. O que isso faz? Vamos olhar para a matemática; primeiro, o produto identifica duas funções senoidais:

 

Se transformarmos essas funções genéricas do seno em sinais com frequência e fase, teremos o seguinte:

Simplificando, temos:

Portanto, quando multiplicamos dois sinusóides de igual frequência, mas de fase diferente, o resultado é um sinusóide com o dobro da frequência mais um deslocamento que depende da diferença entre as duas fases. 

O deslocamento é a chave: se a fase do sinal recebido é igual à fase do sinal de referência, temos cos (0 °), que é igual a 1. Se a fase do sinal recebido for 180 ° diferente da fase de o sinal de referência, temos cos (180 °), que é -1. Assim, a saída do multiplicador terá um deslocamento DC positivo para um dos valores binários e um deslocamento DC negativo para o outro valor binário. Esse deslocamento pode ser usado para interpretar cada símbolo como um zero ou um.

Confirmação de Simulação
O seguinte circuito de modulação e desmodulação BPSK mostra como você pode criar um sinal BPSK no LTspice:

Duas fontes senoidais (uma com fase = 0 ° e outra com fase = 180 °) são conectadas a dois interruptores controlados por tensão. Ambos os interruptores têm o mesmo sinal de controle de onda quadrada, e as resistências on e off são configuradas de modo que um seja aberto enquanto o outro estiver fechado. Os terminais de "saída" dos dois comutadores estão interligados e o amplificador operacional armazena em buffer o sinal resultante, que se parece com o seguinte:




Em seguida, temos um sinusóide de referência (V4) com frequência igual à frequência da forma de onda BPSK e, em seguida, usamos uma fonte de tensão comportamental arbitrária para multiplicar o sinal BPSK pelo sinal de referência. Aqui está o resultado:




Como você pode ver, o sinal desmodulado é o dobro da frequência do sinal recebido e possui um deslocamento DC positivo ou negativo de acordo com a fase de cada símbolo. Se integrarmos esse sinal em relação a cada período de bits, teremos um sinal digital que corresponde aos dados originais.

Detecção coerente
Neste exemplo, a fase do sinal de referência do receptor é sincronizada com a fase do sinal modulado de entrada. Isso é facilmente realizado em uma simulação; é significativamente mais difícil na vida real. Além disso, conforme discutido nesta página em "Codificação diferencial", a comutação de mudança de fase comum não pode ser usada em sistemas sujeitos a diferenças de fase imprevisíveis entre o transmissor e o receptor. 

Por exemplo, se o sinal de referência do receptor estiver 90 ° fora de fase com a portadora do transmissor, a diferença de fase entre a referência e o sinal BPSK será sempre 90 ° e cos (90 °) será 0. Portanto, o deslocamento DC é perdido e o sistema não funciona completamente.

Isso pode ser confirmado alterando a fase da fonte V4 para 90 °; aqui está o resultado:

Resumo
* A desmodulação digital requer sincronização de período de bits; o receptor deve ser capaz de identificar os limites entre os símbolos adjacentes.

* Os sinais de teclas de mudança de fase binária podem ser desmodulados por multiplicação seguida de integração. O sinal de referência usado na etapa de multiplicação tem a mesma frequência que a portadora do transmissor.

* A tecla de mudança de fase comum é confiável somente quando a fase do sinal de referência do receptor pode manter a sincronização com a fase da portadora do transmissor.

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