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實驗二十一 相位 轉移鍵制 (PSK) 解調

實驗二十一 相位 轉移鍵制 (PSK) 解調. 曾志成 國立宜蘭大學 電機工程學系 tsengcc@niu.edu.tw http://wcnlab.niu.edu.tw. 註：本教材主要是修改自「通訊系統實驗」作者 趙亮琳與范俊杰 教授所提供之教學資源. 實驗目的. 實習 PSK 解調 的原理及 方法. 原理說明 (1/17). 由於 PSK 是 利用相位的變化來傳送數位信號，所以 必須用 同步解調的方式才能復原出原數位信號，其解調系統 如圖 21-1 所示。

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實驗二十一 相位 轉移鍵制 (PSK) 解調

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  1. 實驗二十一 相位轉移鍵制(PSK)解調 曾志成 國立宜蘭大學 電機工程學系 tsengcc@niu.edu.tw http://wcnlab.niu.edu.tw 註：本教材主要是修改自「通訊系統實驗」作者趙亮琳與范俊杰教授所提供之教學資源

  2. 實驗目的 • 實習PSK解調的原理及方法 Chih-Cheng Tseng

  3. 原理說明 (1/17) • 由於PSK是利用相位的變化來傳送數位信號，所以必須用同步解調的方式才能復原出原數位信號，其解調系統如圖 21-1所示。 • 若將圖 21-1和圖 14-1做比較可發現PSK解調和ASK同步解調系統之結構完全相同。只不過所處理的信號略有不同而已。 Chih-Cheng Tseng

  4. 原理說明 (2/17) 圖 21-1 PSK同步解調系統 Chih-Cheng Tseng

  5. 原理說明 (3/17) • PSK的解調原理說明如下，詳細說明可對照實驗十四的原理說明以比較它和ASK的異同之處。 • 載波回復電路：其作用是從接收信號VR(t)中重建出和發射端相同頻率之載波，至於重建載波的方法稍後會有詳細說明。 • 假設重建之載波VLO(t)和接收信號分別如(21-1)和 (21-2)式所示。式中的VD(t)=±E，為雙極性數位信號。 (21-1) (21-2) Chih-Cheng Tseng

  6. 原理說明 (4/17) • 乘法器之輸出VX(t)如下式： • 在(21-3)式中，第一項為數位信號項，第二項相當於載波為2fc的 PSK信號，這二項之波形相加起來即是圖 21-1中VX的註解方塊內之波形。 (21-3) Chih-Cheng Tseng

  7. 原理說明 (5/17) • (21-3)式中的第二項可用低通濾波器加以濾除，剩下的第一項為數位波形，不過由於它的高頻成分被LPF濾除了，所以LPF之輸出VLP(t)的波形會如圖 21-1中的註解方塊所示的波形那樣，呈現出較為平緩的變化。 • 最後之比較器則是負責將VLP(t)的波形恢復成數位波形。 Chih-Cheng Tseng

  8. 原理說明 (6/17) • 由(21-3)式可看出，解調輸出項 ，式中的θ是重建之載波VLO(t)和原載波的相位差。 • 當θ≈00時，VO(t)的振幅最大； • θ≈900時，輸出VO(t) ≈00 ，即解調失敗； • θ≈1800時， ，和VD(t)呈反相關係。 • PSK的載波回復電路結構如圖 21-2所示。 Chih-Cheng Tseng

  9. 原理說明 (7/17) 圖 21-2 PSK載波回復電路結構及波形 Chih-Cheng Tseng

  10. 原理說明 (8/17) • 雖然PSK和ASK同步解調在結構及原理上很相似，不過PSK的載波回復電路卻不像ASK那麼容易，原因是PSK的接收信號VR(t)並不像ASK信號含有純載波項[參考(14-1)式]。 • 以下將分段敘述其原理： • 絕對值或平方電路：當VR(t)經過絕對值電路後，它的輸出VABS(t)波形如圖 21-2之VABS的註解方塊所示，很明顯的VABS(t)是頻率等於2fc的週期波，若用傅立葉級數展開，它必定含有頻率為2fc的成分。另外，若是用平方電路，則其輸出VSQ(t)可推導如下： Chih-Cheng Tseng

  11. 原理說明 (9/17) 其波形如圖 21-2中VSQ(t)的註解方塊所示，很顯然它是頻率為2fc的弦波加上一個直流成分。 (21-4) Chih-Cheng Tseng

  12. 原理說明 (10/17) • 鎖相迴路(PLL)：為了將VABS(t)或VQS(t)的頻率由2fc降為fc，必須使用除頻電路。不過由於所使用的是數位除頻器 (因為它簡單 )，所以先用數位 PLL 將波形轉成頻率為2fc的方波VPLL(t)。 • 除頻器：將頻率為2fc的方波VPLL(t)降頻成頻率為fc的方波VFD(t)。 • 帶通濾波器(BPF)：負責濾除方波VFD(t)的直流成分及諧波成分，只留下頻率為fc的弦波成分VLO(t)。 Chih-Cheng Tseng

  13. 原理說明 (11/17) • PSK有個天生的缺點就是相位混淆(Phase Confusing) 的問題，也就是解調出來的VO(t)和原資料VD(t)可能反相也可能不反相，而且無法預測它到底會不會反相，其原因可從圖 21-3中看出來。 • 由於PSK信號是以相位1800的變化來代表位元的變化，所以圖中的PSK信號VR(t)可能代表”010010”，也可能代表”101101”。 Chih-Cheng Tseng

  14. 原理說明 (12/17) 圖 21-3 PSK 解調之相位混淆情形 Chih-Cheng Tseng

  15. 原理說明 (13/17) • 解決PSK相位混淆的辦法就是勇於接受這種先天的缺陷，並採用後天的補救措施。 • 圖 21-4是用特殊的編碼方式來解決，說明如下： • 平常NRZ信號可寫成NRZ(L)，它是直接用電壓的高低準位(Level)來代表”0”或”1”。 • NRZ(M)碼是用高低準位的變化代表”1”(Mark)，而用高低準位的不改變代表”0” ，其波形如圖 21-4中的V’D所示。 • 當V’D(t)由Low變High或由High變Low時，PSK信號即會反相。( 請注意現在V’D(t)的Low、High並不直接代表”0”、”1”)。 Chih-Cheng Tseng

  16. 原理說明 (14/17) 圖 21-4 用NRZ(M)可解決PSK解調之相位混淆 Chih-Cheng Tseng

  17. 原理說明 (15/17) • 由於PSK相位混淆的關係，其解調輸出V’O(t)可能與V’D(t)反相，也可能不反相，如圖中所示的兩種V’O(t)之波形。 • 雖然V’O(t)有兩種可能，但是以 NRZ(M)的觀點來看，它們都是代表相同的位元信號，例如圖中的兩種V’O(t)波形都是代表”011011”，所以經過 NRZ(M)解碼後的VO(t)已不再有相位混淆的現象了。 • 至於如何做NRZ(L)和NRZ(M)相互的轉換，有興趣的同學可參考一般通訊原理書籍中有關DPSK的介紹。 Chih-Cheng Tseng

  18. 原理說明 (16/17) • 完成PSK調變、解調系統後，可再加入CVSD調變、解調系統及曼徹斯特碼編、解碼系統，構成圖 21-5的PSK實驗系統。圖中的黃色方塊部分是本實驗中所完成的PSK調變、解調系統，而其它的方塊則和前面ASK、FSK各實驗相同。 Chih-Cheng Tseng

  19. 原理說明 (17/17) 圖 21-5 PSK實驗系統 Chih-Cheng Tseng

  20. 電路說明 (1/10) • 本實驗中新加入的單元電路是全波整流器，它是扮演圖 21-2中絕對值電路的角色，其電路如圖 21-6所示。 • 關於圖 21-6的電路原理請參考電路分析之單元十三。 • 大致可分為橋式全波整流和差額放大器兩大部分，如圖 21-7所示。 • 橋式整流： |Vi|1.4V時，Vo1≈|Vi|-1.4V(21-5a) |Vi|<1.4V時， Vo1≈0V(21-5b) Chih-Cheng Tseng

  21. 電路說明 (2/10) 圖 21-6 全波整流電路 Chih-Cheng Tseng

  22. 電路說明 (3/10) 圖 21-7 全波整流電路結構 Chih-Cheng Tseng

  23. 電路說明 (4/10) • 由於橋式整流的輸出電壓Vo1所跨的兩端都不是接地點，所以串接一個差額放大器將Vo1轉成相對於接地點的電壓 VO，並且順便放大： VO=3.9(V2-V1)=3.9Vo1 (21-6) • 綜合(21-5)和(21-6)式可得：|Vi|1.4V時，VO≈3.9(|Vi|-1.4)V(21-7a)|Vi|<1.4V時， VO≈0V(21-7b) Chih-Cheng Tseng

  24. 電路說明 (5/10) • 本實驗之PSK同步解調電路如圖 21-8所示，它是完全依照圖 21-1及圖 21-2所建構的。圖中各單元電路的功能分述如下： • 乘法器 ( 一 )：做為PSK調變器，用來產生PSK信號供解調電路使用。(將VR1逆時針轉到底即為R2=0) • 全波整流器：將接收信號VR(t)改變成頻率為2fc的週期性信號VABS(t)。 Chih-Cheng Tseng

  25. 電路說明 (6/10) 圖 21-8 PSK 解調實驗電路 Chih-Cheng Tseng

  26. 電路說明 (7/10) • 鎖相迴路：調其可變電阻R1可將自由振盪頻率調至2fc附近，使它能鎖住VABS(t)的頻率。當鎖住時VCO out端之輸出VPLL(t)為頻率等於2fc，電壓為0 V、12 V的方波。 • 除頻器：利用簡單的J-K正反器將VPLL(t)之頻率除以2，使其成為頻率是fc，電壓為0 V、12 V的方波VFD(t)。此處採用CMOS 4027 IC而不用TTL 7473 IC的原因是為了遷就PLL的輸出規格。 Chih-Cheng Tseng

  27. 電路說明 (8/10) • 帶通濾波器：調其可變電阻R3可將中心頻率fO調至fc附近，如此即能從頻率為 fc的方波VFD(t)中濾出頻率為fc的弦波VLO(t) 。另外，在實驗十一中已學到 (參考圖 11-6)，調可變電阻R3尚可改變VLO(t)的相角。為獲得較佳的解調結果，應調整R3使VLO(t)儘量與VR(t)同相或反相。[ 註：因VR(t)之相位一直有180o的變化，所以VLO(t)和VR(t)會時而同相，時而反相 ]。 Chih-Cheng Tseng

  28. 電路說明 (9/10) • 乘法器 (二)：負責圖 21-1中解調所需之乘法動作。 • 低通濾波器：負責濾除乘法器 (二)輸出VX(t)的高頻成分，並且由(21-3)式可得知VX(t)並不含有直流成分，所以VX(t)可直接由 In 端輸入。 • 比較器：將低通濾波器輸出VLP(t)之波形改變成0 V、5 V的方波。 • 完成圖 21-8的電路後，可再擴充成圖 21-9的系統，圖中的黃色部分即是圖 21-8的PSK調變、解調電路，至於其他的部分則和實驗十三、十四相同。 Chih-Cheng Tseng

  29. 電路說明 (10/10) 圖 21-9 PSK 實驗系統電路 Chih-Cheng Tseng

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