如何解調數字調相

射頻解調
了解有關如何從相移鍵控波形中提取原始數字數據的信息。

在前兩頁中，我們討論了用於解調AM和FM信號的系統，這些信號承載模擬數據，例如（非數字化的）音頻。 現在我們準備看一下如何恢復通過第三種通用調製方式（即相位調製）編碼的原始信息。

但是，模擬相位調製並不常見，而數字相位調製則非常常見。 因此，在數字RF通信的背景下探索PM解調更為有意義。 我們將使用二進制相移鍵控（BPSK）探索該主題。 但是，很高興知道正交相移鍵控（QPSK）與現代無線系統更相關。

顧名思義，二進制相移鍵控通過將一個相位分配給二進制0並將一個不同的相位分配給二進制1來表示數字數據。兩個相位相隔180°以優化解調精度-兩個相位值之間的間隔越大，越容易解碼符號。

乘法和集成—同步
BPSK解調器主要由兩個功能塊組成：一個乘法器和一個積分器。 這兩個分量將產生與原始二進制數據相對應的信號。 但是，還需要同步電路，因為接收器必須能夠識別比特週期之間的邊界。 這是模擬解調和數字解調之間的重要區別，因此讓我們仔細看一下。

 

在模擬解調中，信號實際上沒有開始或結束。 想像一下正在廣播音頻信號（即根據音樂不斷變化的信號）的FM發射器。 現在想像一下最初關閉的FM接收器。 

用戶可以在任何時候為接收器加電，並且解調電路將開始從調製載波中提取音頻信號。 提取的信號可以被放大並發送到揚聲器，音樂將聽起來很正常。 

接收者不知道音頻信號是代表歌曲的開頭還是結尾，或者解調電路是否在小節開始時，或者在節拍上或在兩個節拍之間開始起作用。 沒關係 每個瞬時電壓值對應於音頻信號中的一個確切時刻，並且當所有這些瞬時值都連續出現時，將重新創建聲音。

使用數字調製時，情況完全不同。 我們不是在處理瞬時振幅，而是處理代表一個離散信息（即一個數字（一個或零））的一系列振幅。 

每個幅度序列（稱為符號，持續時間等於一個比特週期）必須與前面和後面的序列區分開：如果廣播電台（從上面的示例中）使用數字調製，並且接收機加電並開始在以下頻率進行解調一個隨機的時間點，會發生什麼？ 

好吧，如果接收器恰好在一個符號的中間開始解調，那麼它將試圖解釋一個符號的一半和下一個符號的一半。 當然，這會導致錯誤； 邏輯一符號後跟邏輯零符號將有相等的機會被解釋為一或零。

顯然，在任何數字RF系統中，同步都必須是優先事項。 一種簡單的同步方法是在每個數據包之前添加預定義的“訓練序列”，該序列由交替的零符號和一個符號組成（如上圖所示）。 接收器可以使用這些零零一零的轉換來識別符號之間的時間邊界，然後可以通過應用系統的預定義符號持續時間簡單地正確解釋數據包中的其餘符號。

乘法的影響
如上所述，PSK解調的基本步驟是乘法。 更具體地說，我們將輸入的BPSK信號乘以參考信號，該參考信號的頻率等於載波頻率。 這有什麼作用？ 讓我們看一下數學； 首先，產品確定兩個正弦函數：

 

如果將這些通用正弦函數轉換為具有頻率和相位的信號，我們將具有以下特徵：

簡化，我們有：

因此，當我們將兩個頻率相等但相位不同的正弦波相乘時，結果是頻率增加一倍的正弦波加上一個取決於兩個相位之差的偏移量。 

偏移是關鍵：如果接收信號的相位等於參考信號的相位，我們的cos（0°）等於1。如果接收信號的相位與相位的相位差180°，參考信號，我們有cos（180°），即–1。 因此，乘法器的輸出對於一個二進制值將具有正DC偏移，而對於另一個二進制值將具有負DC偏移。 此偏移量可用於將每個符號解釋為零或一。

仿真確認
以下BPSK調製和解調電路向您展示瞭如何在LTspice中創建BPSK信號：

兩個正弦波源（一個相位為0°，一個相位為180°）連接到兩個電壓控制開關。 兩個開關具有相同的方波控制信號，並且通斷電阻被配置為使得一個斷開，而另一個閉合。 兩個開關的“輸出”端子連接在一起，運算放大器緩衝結果信號，如下所示：




接下來，我們得到一個參考正弦波（V4），其頻率等於BPSK波形的頻率，然後使用任意行為電壓源將BPSK信號與參考信號相乘。 結果如下：




如您所見，解調後的信號是接收信號頻率的兩倍，並且根據每個符號的相位具有正負DC偏移。 如果我們隨後針對每個位週期對該信號進行積分，則將獲得一個與原始數據相對應的數字信號。

相干檢測
在此示例中，接收器參考信號的相位與輸入調製信號的相位同步。 這很容易在仿真中完成； 在現實生活中要困難得多。 此外，如本頁“差分編碼”中所討論的，普通相移鍵控不能用於受發射機和接收機之間不可預測的相位差影響的系統中。 

例如，如果接收器的參考信號與發送器的載波異相90°，則參考信號和BPSK信號之間的相位差將始終為90°，cos（90°）為0。因此，DC偏移為丟失，系統完全無法運行。

可以通過將V4源的相位更改為90°來確認。 結果如下：

總結
*數字解調需要位週期同步； 接收機必須能夠識別相鄰符號之間的邊界。

*二進制相移鍵控信號可以通過乘法和積分進行解調。 乘法步驟中使用的參考信號具有與發射機載波相同的頻率。

*僅當接收器參考信號的相位可以與發送器載波的相位保持同步時，普通相移鍵控才是可靠的。

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