Cómo demodular la modulación de fase digital

Demodulación de radiofrecuencia
Aprenda acerca de cómo extraer los datos digitales originales de una forma de onda de desplazamiento de fase.

En las dos páginas anteriores discutimos los sistemas para realizar la demodulación de señales de AM y FM que transportan datos analógicos, como el audio (no digitalizado). Ahora estamos listos para ver cómo recuperar información original que ha sido codificada a través del tercer tipo general de modulación, a saber, la modulación de fase.

Sin embargo, la modulación de fase analógica no es común, mientras que la modulación de fase digital es muy común. Por lo tanto, tiene más sentido explorar la demodulación de PM en el contexto de la comunicación digital de RF. Exploraremos este tema utilizando la codificación de desplazamiento de fase binaria (BPSK); Sin embargo, es bueno saber que la codificación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) es más relevante para los sistemas inalámbricos modernos.

Como su nombre lo indica, la codificación de desplazamiento de fase binaria representa datos digitales al asignar una fase al 0 binario y una fase diferente al binario 1. Las dos fases están separadas 180 ° para optimizar la precisión de la demodulación; una mayor separación entre los dos valores de fase facilita la tarea para decodificar los símbolos.

Multiplicar e integrar, y sincronizar
Un demodulador BPSK consta principalmente de dos bloques funcionales: un multiplicador y un integrador. Estos dos componentes producirán una señal que corresponde a los datos binarios originales. Sin embargo, también se necesitan circuitos de sincronización, ya que el receptor debe poder identificar el límite entre los períodos de bits. Esta es una diferencia importante entre la demodulación analógica y la demodulación digital, así que echemos un vistazo más de cerca.

 

En la demodulación analógica, la señal realmente no tiene un principio o un final. Imagine un transmisor de FM que transmite una señal de audio, es decir, una señal que varía continuamente según la música. Ahora imagine un receptor FM que inicialmente está apagado. 

El usuario puede encender el receptor en cualquier momento, y los circuitos de demodulación comenzarán a extraer la señal de audio de la portadora modulada. La señal extraída puede amplificarse y enviarse a un altavoz, y la música sonará normal. 

El receptor no tiene idea de si la señal de audio representa el comienzo o el final de una canción, o si el circuito de demodulación comienza a funcionar al comienzo de una medida, o justo en el tiempo, o entre dos tiempos. No importa; cada valor de voltaje instantáneo corresponde a un momento exacto en la señal de audio, y el sonido se recrea cuando todos estos valores instantáneos ocurren en sucesión.

Con la modulación digital, la situación es completamente diferente. No estamos tratando con amplitudes instantáneas, sino con una secuencia de amplitudes que representa una información discreta, a saber, un número (uno o cero). 

Cada secuencia de amplitudes, llamada símbolo, con una duración igual a un período de un bit, debe distinguirse de las secuencias anteriores y siguientes: Si la emisora ​​(del ejemplo anterior) estaba utilizando modulación digital y el receptor se encendió y comenzó a demodular en un punto aleatorio en el tiempo, ¿qué pasaría? 

Bueno, si el receptor comenzara a demodular en medio de un símbolo, estaría tratando de interpretar la mitad de un símbolo y la mitad del siguiente símbolo. Esto, por supuesto, conduciría a errores; un símbolo de lógica uno seguido de un símbolo de lógica cero tendría la misma posibilidad de ser interpretado como uno o cero.

Claramente, entonces, la sincronización debe ser una prioridad en cualquier sistema digital de RF. Un enfoque directo para la sincronización es preceder a cada paquete con una "secuencia de entrenamiento" predefinida que consiste en alternar símbolos cero y símbolos uno (como en el diagrama anterior). El receptor puede usar estas transiciones de uno cero uno cero para identificar el límite temporal entre símbolos, y luego el resto de los símbolos en el paquete se pueden interpretar correctamente simplemente aplicando la duración predefinida del símbolo del sistema.

El efecto de la multiplicación
Como se mencionó anteriormente, un paso fundamental en la demodulación de PSK es la multiplicación. Más específicamente, multiplicamos una señal BPSK entrante por una señal de referencia con una frecuencia igual a la frecuencia portadora. ¿Qué logra esto? Veamos las matemáticas; primero, el producto identifica dos funciones sinusoidales:

 

Si convertimos estas funciones seno genéricas en señales con una frecuencia y fase, tenemos lo siguiente:

Simplificando, tenemos:

Entonces, cuando multiplicamos dos sinusoides de igual frecuencia pero diferente fase, el resultado es un sinusoide del doble de la frecuencia más un desplazamiento que depende de la diferencia entre las dos fases. 

El desplazamiento es la clave: si la fase de la señal recibida es igual a la fase de la señal de referencia, tenemos cos (0 °), que es igual a 1. Si la fase de la señal recibida es 180 ° diferente de la fase de la señal de referencia, tenemos cos (180 °), que es –1. Por lo tanto, la salida del multiplicador tendrá un desplazamiento de CC positivo para uno de los valores binarios y un desplazamiento de CC negativo para el otro valor binario. Este desplazamiento se puede utilizar para interpretar cada símbolo como cero o uno.

Confirmación de simulación
El siguiente circuito de modulación y demodulación BPSK le muestra cómo puede crear una señal BPSK en LTspice:

Dos fuentes sinusoidales (una con fase = 0 ° y otra con fase = 180 °) están conectadas a dos interruptores controlados por voltaje. Ambos interruptores tienen la misma señal de control de onda cuadrada, y las resistencias de encendido y apagado están configuradas de manera tal que una esté abierta mientras la otra está cerrada. Los terminales de "salida" de los dos interruptores están unidos, y el amplificador operacional amortigua la señal resultante, que se ve así:




A continuación, tenemos una sinusoide de referencia (V4) con una frecuencia igual a la frecuencia de la forma de onda BPSK, y luego usamos una fuente de voltaje de comportamiento arbitrario para multiplicar la señal BPSK por la señal de referencia. Aquí está el resultado:




Como puede ver, la señal demodulada es el doble de la frecuencia de la señal recibida, y tiene un desplazamiento de CC positivo o negativo de acuerdo con la fase de cada símbolo. Si luego integramos esta señal con respecto a cada período de bit, tendremos una señal digital que corresponde a los datos originales.

Detección coherente
En este ejemplo, la fase de la señal de referencia del receptor se sincroniza con la fase de la señal modulada entrante. Esto se logra fácilmente en una simulación; Es significativamente más difícil en la vida real. Además, como se discute en esta página en "Codificación diferencial", la codificación por desplazamiento de fase normal no se puede utilizar en sistemas que están sujetos a diferencias de fase impredecibles entre el transmisor y el receptor. 

Por ejemplo, si la señal de referencia del receptor está desfasada 90 ° con la portadora del transmisor, la diferencia de fase entre la referencia y la señal BPSK siempre será 90 °, y cos (90 °) es 0. Por lo tanto, el desplazamiento de CC es perdido, y el sistema es completamente no funcional.

Esto se puede confirmar cambiando la fase de la fuente V4 a 90 °; Aquí está el resultado:

Resumen
* La demodulación digital requiere sincronización de período de bits; El receptor debe poder identificar los límites entre los símbolos adyacentes.

* Las señales de codificación de desplazamiento de fase binaria se pueden demodular mediante multiplicación seguida de integración. La señal de referencia utilizada en el paso de multiplicación tiene la misma frecuencia que la portadora del transmisor.

* La codificación por desplazamiento de fase ordinaria es confiable solo cuando la fase de la señal de referencia del receptor puede mantener la sincronización con la fase de la portadora del transmisor.

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