Цифровой демодулятор что это

Сложность данного алгоритма заключается в том, что скачки по фазе как правило меньше из-за шумов и из-за дискретизации сигнала. В этом случае есть вероятность пропустить скачок по фазе и сформировать неправильный сигнал .

Данный способ не приемлем в случае цифровой модуляции, так как частотный демодулятор не сохраняет информации о начальной фазе, кроме того в результате интегрирования к сигналу на выходе добавляется случайная постоянная интегрирования.

Таким образом, мы рассмотрели вопросы построения PM и FM демодуляторов. Показали, что для PM сигнала частотная расстройка гетеродина приводит к линейному слагаемому на выходе PM демодулятора, а в случае FM сигнала при частотной расстройке меняется лишь постоянная составляющая на выходе демодулятора. Приведены unwrap алгоритмы раскрытия периодичности арктангенса.

Источник

Понятие квадратурной демодуляции

В данной статье объясняется, что такое квадратурная демодуляция, и дается представление о характере I/Q сигналов.

Если вы прочитали предыдущую статью, вы знаете, что такое I/Q сигналы, и как выполняется квадратурная (то есть на основе I/Q сигналов) модуляция. В этой статье мы обсудим квадратурную демодуляцию, которая является универсальным методом извлечения информации из амплитудно-, частотно- и фазо-модулированных сигналов.

Преобразование в I и Q

На следующей диаграмме представлена базовая структурная схема квадратурного демодулятора.

Структурная схема квадратурного демодулятора

Вы легко заметите, что эта схема похожа на квадратурный модулятор в обратном порядке. Радиочастотный сигнал умножается на сигнал гетеродина (для канала I) и на сигнал гетеродина, сдвинутый на 90° (для канала Q). Результат (после фильтрации нижних частот, который будет вкратце объяснен позже) представляет собой сигналы I и Q, которые готовы для дальнейшей обработки.

В квадратурной модуляции мы используем низкочастотные I/Q сигналы для создания амплитудно-, частотно- или фазо-модулированного сигнала, который будет усилен и передан. В квадратурной демодуляции мы преобразуем имеющийся модулированный сигнал в соответствующие низкочастотные I/Q сигналы. Важно понимать, что принятый сигнал может быть от передатчика любого типа – квадратурная демодуляция не ограничивается сигналами, которые изначально были созданы посредством квадратурной модуляции.

Фильтры нижних частот необходимы, потому что квадратурное умножение, применяемое к принятому сигналу, ничем не отличается от умножения, используемого, например, в обычном амплитудном демодуляторе. Спектр принятого сигнала будет сдвинут вниз и вверх на значение частоты несущей (f_нес); таким образом, фильтр нижних частот необходим для подавления высокочастотных составляющих, связанных со спектром, центрированным вокруг 2f_нес.

Если вы прочитали статью про амплитудную демодуляцию, предыдущий абзац мог дать вам понять, что квадратурный демодулятор фактически состоит из двух амплитудных демодуляторов. Разумеется, вы не можете применять обычную амплитудную демодуляцию к частотно-модулированному сигналу; в амплитуде FM сигнала нет закодированной информации. Но квадратурная (амплитудная) демодуляция может захватить информацию, закодированную в частоте, – это просто (довольно интересный) характер I/Q сигналов. Используя два амплитудных демодулятора, приводимых в действие синусоидами с частотой сигнала несущей и с разностью фаз в 90°, мы генерируем два разных низкочастотных сигнала, которые вместе могут сообщать информацию, закодированную посредством изменений частоты или фазы принимаемого сигнала.

Квадратурная амплитудная демодуляция

Как упоминалось в первой статье этой главы, «Как демодулировать амплитудно-модулированный сигнал», один из подходов амплитудной демодуляции включает в себя умножение принимаемого сигнала на опорный сигнал с частотой несущей, а затем НЧ фильтрацию результатов этого умножения. Этот метод обеспечивает более высокую производительность, чем амплитудная демодуляция на базе пикового детектора с утечкой. Однако этот подход имеет серьезную слабость: на результат умножения влияет соотношение фаз сигнала несущей передатчика и опорного сигнала несущей частоты в приемнике.

Полученные демодулированные сигналы при разных разностях фаз принятого сигнала несущей и сигнала гетеродина приемника

Эти диаграммы показывают демодулированный сигнал для трех значений разности фаз передатчика и приемника. По мере увеличения разности фаз амплитуда демодулированного сигнала уменьшается. Процедура демодуляции стала нерабочей при разности фаз 90°, это представляет собой наихудший сценарий, т.е. амплитуда начинает увеличиваться снова, когда разность фаз удаляется (в любом направлении) от 90°.

Один из способов исправить эту ситуацию заключается в использовании дополнительной схемы, которая синхронизирует фазу опорного сигнала приемника с фазой принимаемого сигнала. Однако при отсутствии синхронизации между передатчиком и приемником может использоваться квадратурная демодуляция. Как было только что сказано, наихудшее фазовое расхождение составляет ±90°. Таким образом, если мы выполняем умножение с двумя опорными сигналами, разделенным по фазе на 90°, выходной сигнал одного умножителя компенсирует уменьшающуюся амплитуду выходного сигнала другого умножителя. В этом случае наихудшая разность фаз составляет 45°, и вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, что разность фаз 45° не приводит к катастрофическому уменьшению амплитуды демодулированного сигнала.

Следующие диаграммы демонстрируют эту I/Q компенсацию. Графики являются демодулированными сигналами от ветвей I и Q квадратурного демодулятора.

Фаза передатчика равна 0° Фаза передатчика равна 45° (оранжевый график находится за синим графиком – т.е. оба сигнала идентичны) Фаза передатчика равна 90°

Постоянная амплитуда

Было бы удобно, если бы мы могли объединить I и Q версии демодулированного сигнала в один сигнал, который поддерживает постоянную амплитуду независимо от соотношения фаз между передатчиком и приемником. Ваша первая идея может заключаться в использовании сложения, но, к сожалению, это не так просто. Следующая диаграмма была получена путем повторения моделирования, в котором всё одинаково, за исключением фазы сигнала несущей передатчика. Значение фазы присваивается параметру, который имеет семь определенных значений: 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150° и 180°. Графики представляют собой суммы демодулированных I и Q сигналов.

Результаты сложения демодулированных I и Q сигналов при разных фазах сигнала несущей передатчика

Как вы можете видеть, сложение, разумеется, не является способом получения сигнала, на который не влияют изменения в отношении фаз между передатчиком и приемником. И это неудивительно, если вспомнить математическую равнозначность между I/Q сигналами и комплексными числами: I и Q компоненты сигнала аналогичны действительной и мнимой частям комплексного числа. Выполняя квадратурную демодуляцию, мы получаем реальные и мнимые компоненты, которые соответствуют амплитуде и фазе низкочастотного сигнала. Другими словами, I/Q демодуляция, по сути, является преобразованием: мы переводим из системы «амплитуда-плюс-фаза» (используемой типовым низкочастотным сигналом) в декартову систему, в которой компонент I нанесен на ось x, а компонент Q нанесен на ось y.

Чтобы получить амплитуду комплексного числа, мы не можем просто сложить действительную и мнимую части, и то же самое относится к I и Q компонентам сигнала. Вместо этого мы должны использовать формулу, показанную на рисунке выше, которая представляет собой не что иное, как стандартный пифагоров подход к определению длины гипотенузы прямоугольного треугольника. Если мы применим эту формулу к демодулированным сигналам I и Q, то сможем получить окончательный демодулированный сигнал, на который не влияют изменения фазы. Следующий график подтверждает это: моделирование такое же, как и предыдущее (т.е. семь разных значений фазы), но вы видите только один сигнал, потому что все графики идентичны.

Окончательный результат квадратурной демодуляции амплитудно-модулированного сигнала

Источник

Цифровой квадратурный демодулятор

В цифровых приемниках перенос частоты осуществляется сразу на нулевую частоту. При приеме сигналов со сложными видами модуляции важен точный прием не только амплитудной, но и фазовой составляющей сигнала.

Для того чтобы не потерять фазу принимаемого сигнала, из сигнала с выхода цифрового фильтра основной избирательности выделяется его синфазная I и квадратурная составляющие. Для этого сигнал умножается на тригонометрические функции sin(w_прt) и cos(w_прt). На выходе умножителя на синусоидальную функцию формируется сигнал, описываемый следующей формулой:

(17.7)

После пропускания этого сигнала через цифровой фильтр низкой частоты на его выходе остается сигнал квадратурной составляющей входного сигнала.

На выходе умножителя на косинусоидальную функцию формируется сигнал, описываемый следующей формулой:

(17.8)

Этот сигнал тоже пропускается через фильтр низких частот с точно такой же частотной характеристикой. На выходе этого фильтра остается сигнал синфазной составляющей входного сигнала.

Структурная схема квадратурного демодулятора, реализованного в цифровом виде, приведена на рис. 17.3.

Для формирования сигналов синуса и косинуса принимаемой частоты обычно применяется цифровой генератор, описанный выше по тексту этой книги.

После ограничения преобразованного по частоте сигнала по спектру, появляется возможность уменьшить частоту его дискретизации. Поэтому на выходе фильтров низкой частоты ставятся дециматоры. Обычно операции децимации и фильтрации удобно выполнять в одном устройстве. Такие устройства получили название децимирующих фильтров.

Рис.17.3.Структурная схема квадратурного демодулятора

Децимирующие фильтры

Децимирующий фильтр предназначен для уменьшения частоты дискретизации обрабатываемого сигнала. Формально это можно было бы сделать, просто передавая на выход схемы каждый пятый или каждый второй отсчет входного сигнала. Устройство, выполняющее данную задачу, называется дециматором.

Задача усложняется тем, что сигнал на входе дециматора не должен содержать спектральных составляющих в полосе образов выходного полезного сигнала. Поэтому прежде чем выбрасывать лишние отсчеты входного сигнала его следует ограничить по полосе.

Существует ряд факторов, которые приводят к тому, что задача реализации фильтра-дециматора является трудной задачей. Первое это то, что входной поток данных поступает на вход этого фильтра с очень высокой скоростью. Фильтр должен выполнять вычисления в реальном времени с очень высокой скоростью.

Частоты в полосе за пределами рабочей полосы сигнала должны быть подавлены до заданного уровня, определяемого динамическим диапазоном полезного сигнала. При этом в полосе рабочего сигнала фильтр-дециматор не должен вносить амплитудных или частотных искажений. Кроме того, структура фильтра должна быть простой и он должен легко реализовываться в интегральном исполнении.

Источник

Цифровой демодулятор что это

Является ли система связи аналоговой или цифровой, определяется, прежде всего, типом модулирующего сигнала – аналоговым или цифровым. Несущее высокочастотное колебание в обоих случаях аналоговое. Цифровой модулирующий сигнал может иметь параллельный или последовательный формат, например восьмиразрядный параллельный формат при 256-позиционной квадратурной амплитудной модуляции КАМ-256 (QAM-256) и последовательный формат при двухпозиционной манипуляции типа GMSK (в системах радиосвязи GSM, GPRS и др.) [11]. Понятия «аналоговый» и «цифровой» относятся и к схемотехническим устройствам, в том числе к модуляторам и демодуляторам. Но модулированный сигнал на выходе цифрового модулятора или на входе цифрового демодулятора имеет цифровую несущую, представляемую дискретными (во времени) отсчетами, выражаемыми цифровым кодом.
Структурная схема приемопередатчика. На рис.1 приведен ранний вариант схемы с цифровой обработкой НЧ-сигналов. Квадратурный модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ (в передатчике), а также преобразователь ВЧ в ПЧ и квадратурный демодулятор (в приемнике) являются аналоговыми. На входе модулятора, раздельно в каждом квадратурном канале I и Q, используются ЦАП, а на выходе демодулятора – АЦП. Сигналы с выхода АЦП (в приемном канале) поступают на сигнальный процессор (DSP) или специальный аудиокодек (аудиокодер) для последующей цифровой обработки НЧ-сигнала. В передающем канале сигналы с того же DSP (аудиодекодера, аудиокодека) поступают на ЦАП. В ряде случаев в передающем канале преобразование в ПЧ отсутствует, и несущая на выходе модулятора является ВЧ-несущей. А в приемном канале используется двойное преобразование частоты, не показанное на рис.1. Кроме того, на смену супергетеродинному методу радиоприема приходит супергомодинный – без преобразования ВЧ в ПЧ и с непосредственной демодуляцией ВЧ-сигналов [12].

В схемах современных цифровых приемопередатчиков используются цифровые модулятор и демодулятор. При этом на входе демодулятора должен стоять АЦП (обычно с дециматором), а на выходе модулятора – ЦАП (с интерполятором). При таком включении АЦП и ЦАП преобразовывают не НЧ-, а существенно более высокочастотный ПЧ-сигнал. Демодулятор и модулятор как бы встроены в системы преобразования: демодулятор включается между АЦП и дециматором, а модулятор – между интерполятором и ЦАП. В результате, модулятор и демодулятор работают при более высоких частотах дискретизации и, соответственно, при меньших шумах, вносимых цифровым преобразованием.
Аналоговые квадратурные модулятор и демодулятор. Основной элемент модулятора и демодулятора – перемножитель (смеситель). Рассматриваемый перемножитель (рис.2) представляет собой балансное устройство (double balanced Gilbert-cell mixer) на четырех транзисторах с дифференциальными входами (сигнальным и опорного колебания) и дифференциальным выходом. Для входного и выходного сигналов перемножитель представляет собой токовый элемент с низким входным (эмиттерным) и высоким выходным (коллекторным) сопротивлениями. Опорное колебание, с которым перемножается входной сигнал, подается в виде напряже-ния на базы транзисторов. Перемножитель используется вместе с преобразователем «напряжение–ток», включаемым на его эмиттерном входе. В квадратурном модуляторе (рис.3) для суммирования выходных сигналов соответствующие коллекторные выводы двух перемножителей соединяются.
При подаче на входы перемножителя сигнала, в общем случае выражаемого как
. (1)
где A1(t) и Dj(t) – модулированные амплитуда и изменение фазы, и опорного колебания a0(t) = A0cosw0t с его выхода снимается сумма двух колебаний – с суммарной и разностной частотами:
. (2)
где A2(t) пропорционально A1(t). Нужное колебание выделяется путем фильтрации или без фильтрации – в квадратурных преобразователях. Первая составляющая, с суммарной частотой w1+w0, выделяется в повышающих преобразователях частоты, а вторая, с разностной частотой w1 – w0, – в понижающих преобразователях (при w1 > w0). При w1

Источник

• ← Цифровой двойник что это
• Цифровой детокс что это такое →