Разбиране на квадратурна демодулация

Радиочестотна демодулация
Тази страница обяснява какво е квадратурната демодулация и осигурява вникване в естеството на I / Q сигналите.

Ако сте прочели предишната страница, знаете какво представляват I / Q сигналите и как се осъществява квадратурната (т.е. I / Q-сигнална) модулация. На тази страница ще разгледаме квадратурната демодулация, която е универсална техника за извличане на информация от амплитудни, честотни и фазово модулирани форми на вълни.

Преобразуване в I и Q
Следващата диаграма представя основната структура на квадратурен демодулатор.

Лесно ще забележите, че системата е подобна на квадратурен модулатор в обратен ред. RF сигналът се умножава от локалния осцилатор сигнал (за I канал), а локалният осцилатор се измества с 90 ° (за Q канал). Резултатът (след нискочестотно филтриране, което ще бъде обяснено накратко) са I и Q вълнови форми, които са готови за по-нататъшна обработка.

При квадратурна модулация използваме I / Q сигнали на базовата лента, за да създадем амплитудна, честотна или фазово модулирана форма на вълната, която ще бъде усилена и предадена. При квадратурна демодулация преобразуваме съществуващата модулация в съответните I / Q сигнали на базовата лента. 

Важно е да се разбере, че полученият сигнал може да бъде от всякакъв вид предавател - квадратурната демодулация не се ограничава до сигнали, които първоначално са създадени чрез квадратурна модулация.

Нискочестотните филтри са необходими, защото умножението на квадратурата, приложено към приетия сигнал, не се различава от умножението, използвано например в обикновен AM демодулатор. Полученият спектър ще бъде изместен надолу и нагоре чрез носещата честота (fC); по този начин е необходим нискочестотен филтър за подтискане на високочестотното съдържание, свързано със спектъра, концентриран около 2fC.

Ако сте прочели страницата за амплитудна демодулация, предходният параграф може да ви накара да разберете, че квадратурният демодулатор всъщност се състои от два амплитудни демодулатора. Разбира се, не можете да приложите обикновена амплитудна демодулация към честотно модулиран сигнал; няма информация, кодирана в амплитудата на FM сигнала. 

Но квадратурната (амплитудна) демодулация може да улови честотата, кодирана от честотата - това е просто (доста интересното) естество на I / Q сигналите. Използвайки два амплитудни демодулатора, задвижвани от синусоиди на носеща честота с фазова разлика 90 °, ние генерираме два различни сигнала на базовата лента, които заедно могат да предават информация, кодирана чрез промени в честотата или фазата на получения сигнал.

Демодулация на квадратурна амплитуда
Както бе споменато в първата страница на тази глава, Как да демодулираме AM вълнова форма, един подход за амплитудна демодулация включва умножаване на получения сигнал чрез референтен сигнал на носеща честота и след това филтриране с нисък пропуск на резултата от това умножение. 

Този метод осигурява по-висока производителност в сравнение с AM демодулацията, която е изградена около пропускащ пиков детектор. Този подход обаче има сериозна слабост: резултатът от умножението се влияе от фазовата връзка между носителя на предавателя и референтния сигнал на приемника-честота.

Тези диаграми показват демодулирания сигнал за три стойности на фазата разлика между предавател и приемник. С увеличаването на фазовата разлика амплитудата на демодулирания сигнал намалява. Процедурата на демодулация стана нефункционална при 90 ° фазна разлика; това представлява най-лошият сценарий - т.е. амплитудата започва отново да се увеличава, когато фазовата разлика се отдалечава (във всяка посока) от 90 °.

Един от начините за коригиране на тази ситуация е чрез допълнителна схема, която синхронизира фазата на референтния сигнал на приемника с фазата на приетия сигнал. Но квадратурната демодулация може да се използва за преодоляване на липсата на синхронизация между предавател и приемник. 

Както бе посочено току-що, най-лошият случай на фазово разминаване е ± 90 °. По този начин, ако извършим умножение с два референтни сигнала, разделени на 90 ° фаза, изходът от един множител компенсира намаляващата амплитуда на изхода от другия умножител. 

В този сценарий най-лошата фазова разлика е 45 °, а в горния график можете да видите, че фазовата разлика от 45 ° не води до катастрофално намаляване на амплитудата на демодулирания сигнал.

Следните графики демонстрират това I / Q компенсация. Следите са демодулирани сигнали от I и Q клоните на квадратурен демодулатор.

Фаза на предавателя = 0 °

 

Фаза на предавателя = 90 °

Постоянна амплитуда
Би било удобно, ако можем да комбинираме I и Q версиите на демодулирания сигнал в една форма на вълната, която поддържа постоянна амплитуда, независимо от фазовата връзка между предавателя и приемника. 

Първият ви инстинкт може да е да използвате добавка, но за съжаление не е толкова просто. Следният график беше генериран чрез повторение на симулация, в която всичко е същото, освен фазата на носителя на предавателя. Фазовата стойност се присвоява на параметър, който има седем различни стойности: 0 °, 30 °, 60 °, 90 °, 120 °, 150 ° и 180 °. Следата е сумата от демодулираната I вълнова форма и демодулираната Q вълнова форма.

Както можете да видите, добавянето със сигурност не е начинът за получаване на сигнал, който не се влияе от вариациите във фазовото отношение предавател-приемник. Това не е изненадващо, ако си спомним математическата еквивалентност между I / Q сигнализация и комплексни числа: I и Q компонентите на сигнала са аналогични на реалните и въображаемите части на сложното число. 

Чрез извършване на квадратурна демодулация получаваме реални и въображаеми компоненти, които съответстват на величината и фазата на сигнала на базовата лента. С други думи, I / Q демодулацията е по същество превод: ние превеждаме от фаза на магнитуд плюс фаза (използвана от типична вълнова форма на базовата лента) в декартова система, в която I компонентът е начертан върху оста x и Q компонент е начертан на оста y.

За да получим величината на сложно число, не можем просто да добавим истинските и въображаеми части и същото се отнася за компонентите на I и Q сигнала. Вместо това трябва да използваме формулата, показана на диаграмата, която не е нищо повече от стандартния питагорейски подход за намиране на дължината на хипотенузата на десен триъгълник. 

Ако приложим тази формула към I и Q демодулирани форми на вълни, можем да получим окончателен демодулиран сигнал, който не се влияе от фазови изменения. Следващият сюжет потвърждава това: симулацията е същата като предишната (т.е. седем различни фазови стойности), но виждате само един сигнал, защото всички следи са идентични.

Oбобщение
* Квадратурната демодулация използва два референтни сигнала, разделени от 90 ° фаза, заедно с два умножителя и два нискочестотни филтри, за да генерират I и Q демодулирани форми на вълни.

* Квадратурната демодулация може да се използва за направата на AM демодулатор, който е съвместим с липса на фазова синхронизация между предавател и приемник.
Формите на I и Q в резултат на квадратурна демодулация са еквивалентни на реалните и въображаеми части от сложно число.

Остави съобщение 

Списък на ЛС