Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.18 Binarne kluczowanie fazy (BPSK) 1

1. Binarne kluczowanie fazy (BPSK) Ćwiczenie to ma na celu ułatwienie zrozumienia podstawowych zasad kluczowania fazy (BPSK) oraz wyjaśnienie procesu modulacji i demodulacji sygnału PSK. Ponadto wykonanie tego ćwiczenia pozwala również na zapoznanie się z właściwościami sygnałów BPSK w dziedzinie czasu i częstotliwości oraz z różnicami sygnałów PSK pomiędzy ASK i FSK. 1.1 Część teoretyczna Wstęp Binarne kluczowanie fazy (BPSK) jest modulacją cyfrową, w której faza przebiegu sinusoidalnego będącego sygnałem nośnym jest przesuwana o 180, w momencie gdy sygnał danych zmienia stan. Rysunek 1.1 przedstawia sygnały wygenerowane przy użyciu takich modulacji jak: ASK, FSK i BPSK. Przy kluczowaniu amplitudy (ASK) amplituda sygnału nośnego zmienia się pomiędzy dwoma poziomami, zgodnie z transmitowanym sygnałem danych. Przy kluczowaniu częstotliwości, amplituda sygnału nośnego pozostaje bez zmian, zamiast tego binarna 1 i 0 sygnału danych powodują skokowe zmiany częstotliwości sygnału nośnego. W binarnym kluczowaniu fazy (BPSK) amplituda i częstotliwość danego sygnału są niezmienne, natomiast skokowo (między dwoma wartościami) zmieniana jest faza sygnału nośnego. Sygnał danych Sygnał ASK Amplituda Sygnał FSK Rysunek 1.1. Modulacje: ASK, FSK i BPSK Sygnał BPSK W porównaniu z innymi modulacjami BPSK jest najbardziej odporna na zakłócenia. Jednak modemy BPSK są bardziej skomplikowane niż modemy używane do pozostałych modulacji. Nowe terminy: Sygnał antypodalny (antipodal signal ang.) - sygnał mający dwa możliwe stany, które mają dokładnie ten sam kształt i amplitudę, ale przeciwną biegunowość. Niejednoznaczność fazy (phase ambiguity ang.) - dwuznaczność między dwoma możliwymi fazami sygnału BPSK. Wynika to z odzyskiwania danych z transmitowanego sygnału. 2

Binarne kluczowanie fazy (BPSK) jest jednym z wielu typów modulacji cyfrowej powszechnie używanych do transmisji danych. Przy BPSK transmitowany sygnał danych jest używany do modulacji fazy sinusoidalnej fali nośnej. Cyfrowe kluczowanie fazy jest bardzo podobne do analogowej modulacji fazy. PSK używające tylko dwóch przesunięć fazowych nazywane jest binarnym kluczowanie fazy (BPSK). Rysunek 1.2 przedstawia sygnał danych, sinusoidalną falę nośną i sygnał BPSK. Łatwo zauważyć, że sygnał BPSK jest albo w fazie albo przesunięty o 180 względem sygnału nośnego w zależności od transmitowanych danych. Sygnał danych Amplituda Fala nośna w fazie w przeciw fazie Sygnał BPSK Generacja sygnałów BPSK. Przesunięcie fazowe o 180 stopni Rysunek 1.2. Binarne Kluczowanie Fazy (BPSK) Rysunek 1.3 przedstawia przykład generowania sygnałów BPSK. W pierwszej kolejności jednobiegunowy sygnał danych (TTL) jest konwertowany w konwerterze poziomów na sygnał dwubiegunowy. Następnie sygnał ten jest dostarczany do jednego z wejść miksera. Do drugiego z wejść miksera doprowadzany jest przebieg sinusoidalny-fala nośna. Mikser ten jest w zasadzie urządzeniem mnożącym. Kiedy dwubiegunowy sygnał danych pochodzący z konwertera poziomów jest w stanie niskim, wtedy sygnał nośny jest mnożony przez +1. W tym przypadku sygnał wyjściowy z miksera (sygnał BPSK) jest identyczny z sygnałem nośnym. Natomiast kiedy dwubiegunowy sygnał danych jest w stanie wysokim, wtedy sygnał nośny jest mnożony przez -1. W tym przypadku sygnał wyjściowy z miksera (sygnał BPSK) jest odwrócony względem sygnału nośnego. Powoduje to przesunięcie fazy o 180. Mikser ten pełni więc funkcję przełącznika fazy. Faza sygnału BPSK zmienia się o 180 kiedy sygnał danych zmienia stan. Z tego powodu BPSK zwane jest również jako PRK kluczowanie odwróceniem fazy. W modulatorze BPSK firmy Lab-Volt sygnał nośny jest uzyskiwany z sygnału zegarowego pochodzącego z wejścia zegarowego (ang. Clock Input). Dzielnik częstotliwości w Generatorze Fali Nośnej modulatora BPSK dzieli częstotliwość sygnału zegarowego przez 100. Filtr pasmowy filtruje ten sygnał w celu otrzymania sinusoidalnego przebiegu nośnego, co pozwala zsynchronizować sygnał nośny z sygnałem danych. 3

Jednobiegunowy Sygnał Danych Konwerter Poziomów Dwubiegunowy Sygnał Danych Mikser Sygnał BPSK 5V 0V +5 V 0 V -5 V Sygnał Nośny Rysunek 1.3. Generacja sygnałów BPSK Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe sygnałów BPSK. W dziedzinie czasu sygnał BPSK występuje jako przebieg sinusoidalny o stałej częstotliwości i amplitudzie (stała energia) z dwoma różnymi fazami (patrz rysunek 1.2). Na analizatorze widma można zauważyć, że obwiednia sygnału BPSK jest funkcją ciągłą (sinx)/x z wartościami zerowymi w punktach będących wielokrotnościami prędkości transmisji R b (patrz rysunek 1.4). Proces modulacji BPSK przesuwa widmo sygnału danych w górę częstotliwości w celu wycentrowania częstotliwości przenoszenia f C tak jak na rysunku 1.4. Widmo to jest podobne do sygnału ASK z jedną ważną różnicą, że w widmie sygnału BPSK częstotliwość nośna nie występuje. Składowa częstotliwości nośnej jest nie obecna w sygnale BPSK, ponieważ występuje w nim przesunięcie fazy o 180. Efektywna Szerokość Pasma B=2Rb Moc fc-rb fc fc+rb fc+2rb fc+3rb Częstotliwość Rysunek 1.4. Typowe widmo sygnału BPSK Jak w ASK efektywna szerokość pasma sygnału BPSK jest w przybliżeniu równa podwójnej wartości prędkości transmisji sygnału danych w paśmie podstawowym. W momencie gdy prędkość transmisji zmniejsza się widmo zawęża się i w ostateczności swym kształtem przypomina przebieg sinusoidalny. Kiedy używa się dużych prędkości transmisji sygnał BPSK jest czasami filtrowany przed dokonaniem transmisji w celu ograniczenia szerokości przesyłanego widma. Demodulacja sygnałów BPSK. Sygnał BPSK jest demodulowany przy użyciu koherentnej (spójnej) detekcji. Przy pomocy koherentnej detekcji demodulator odzyskuje kopię niezmienionego sygnału nośnego. Następnie porównuje otrzymany sygnał z odzyskaną kopią niezmienionego sygnału nośnego aby odzyskać sygnał danych. Jednak częstotliwość nośnej nie występuje w sygnale BPSK, zatem nie może być ona wydzielona z otrzymanego sygnału, ale musi być zregenerowana w demodulatorze. Jednym z częściej używanych układów do demodulacji sygnałów BPSK jest pętla Costasa (ang. Costas loop). Rysunek 1.5 przedstawia schemat blokowy uproszczonego demodulatora 4

BPSK Costas loop. Składa się on z dwóch głównych części: Regeneratora fali nośnej (ang. Carrier Regenerator) i miksera (ang. Detector Mikser). Otrzymany Sygnał BPSK Mikser Dane Pierwotne Filtr FDP Odzyskane Dane Zregenerowana Fala Nośna Regenerator Fali Nośnej Rysunek 1.5. Schemat blokowy uproszczonego demodulatora BPSK Mikser detektora demoduluje sygnał BPSK przez pomnożenie go ze zregenerowanym sygnałem nośnym. Na wyjściu miksera pojawia się sygnał niskiej częstotliwości zawierający dane oraz zbędne sygnały wyższych częstotliwości. Niepożądane składowe wyższych częstotliwości są usuwane przez filtr dolnoprzepustowy (FD), pozostały sygnał niskiej częstotliwości (BPSK) jest porównywany ze zregenerowanym sygnałem nośnym. W przypadku gdy jest z nim w fazie na wyjściu detektora pojawia się stan niski traktowany jako dana o wartości 1 logicznej. W odwrotnym przypadku (gdy oba sygnały są w przeciwfazie), na wyjściu detektora pojawia się stan wysoki interpretowany jako zero logiczne. Regenerator sygnału nośnego synchronizuje falę nośną z przypadkową fazą transmitowanego sygnału BPSK, ponieważ nie potrafi rozpoznać, która z dwóch faz sygnału BPSK odpowiada fazie sygnału nośnego. Jednorazowe zsynchronizowanie do danej fazy sygnału BPSK powoduje, że ta faza jest przyjmowana jako odniesienie dla całej transmisji (jak zakłócenia przekroczą pewien dozwolony poziom wtedy faza ta może być chwilowo zgubiona). Jeśli układ zsynchronizuje się do fazy zgodnej z fazą oryginalnego sygnału nośnego, to odzyskane dane będą odpowiadać transmitowanemu sygnałowi danych. Jeśli zaś faza wybrana do synchronizacji nie będzie zgodna z fazą oryginalnego sygnału nośnego, to odzyskane dane będą odwrócone względem danych źródłowych (zanegowane). Zjawisko to nazywa się dwuznacznością fazy. Aby skorygować dwuznaczność fazy często na początku każdej transmisji wysyłany jest znany ciąg znaków. W demodulatorze otrzymany ciąg znaków porównywany jest z oczekiwanym ciągiem znaków wstępnych, by zdecydować czy odzyskiwane dane są odwrócone. Jeśli dane te byłyby odwrócone, to można je jeszcze raz zanegować do oryginalnej postaci. Do usuwania dwuznaczności fazy może też być użyta technika opierająca się na różnicowym kodowaniu danych wejściowych. W różnicowym kodowaniu poziom logiczny każdego transmitowanego bitu zależy od różnicy między bieżącym, a poprzednim bitem danych źródłowych. Demodulator BPSK. Panel przedni demodulatora BPSK został pokazany na rysunku 5.6. Układ ten używa pętli Costasa (ang. Costas loop) do wytwarzania zregenerowanego sygnału nośnego oraz zdemodulowanego sygnału danych. Sygnał analogowy na wejściu demodulatora jest zamieniany na postać cyfrową (TTL) w układzie Detektora Przejścia przez Zero (ang. Zero Crossing Detector). Demodulator zawiera trzy miksery cyfrowe: - Mikser detektora (ang. Detector mixer) - Mikser pętli PLL (ang. PLL mixer) - Mikser Pętli Costasa (ang. Costas Loop Mixer) 5

Mikser Detektora Demodulator BPSK Przesuwnik Fazowy BPSK INPUT 600 Omów ZERO CROSSING DETECTOR TEST POINTS TP1 TP3 90 TP2 MIN TP4 FREQUENCY VCO LOCKED MAX TP6 FILTER 2,4MHz 1,8 khz 15-45 khz FILTER 2,5Hz TP8 TP7 SHAPER INVERT DATA OUTPUT POWER ON TP5 Punkty testowe TP1 TP2 TP3 TP4 TP5 TP6 TP7 TP8 Mikser Pętli PLL Obwód PLL Mikser Costas Loop Rysunek 1.6. Demodulator BPSK Sygnały Sygnał BPSK (TTL) Zregenerowany sygnał nośny Sygnał na wyjściu VCO Dane pierwotne Sygnał błędu fazowego Sygnał kontrolny VCO Sygnał wyjściowy miksera Costas Loop Dane przefiltrowane Tabela 1.1. Sygnały w punktach testowych Są to miksery cyfrowe, ponieważ demodulator BPSK używa sygnałów cyfrowych. Tabela 5.1 przedstawia tabelę prawdy tych mikserów. Mimo iż oba wejścia miksera są równoważne nazwiemy je dla wygody: wejście A i B. Operacje miksera cyfrowego są podobne do operacji miksera analogowego w modulatorze BPSK, tzn. jeżeli na wejściu A występuje stan niski, to na wyjściu pojawia się stan taki sam jak na wejściu B. Natomiast w przypadku kiedy na wejściu A występuje stan wysoki, to na wyjściu pojawia się stan odwrócony (przesunięcie o 180 ) względem stanu na wejściu B. A B Wyjście L H H L L L H L H H H L Tabela 1.2. Tabela prawdy mikserów cyfrowych (L-stan niski; H-stan wysoki) Ten typ miksera jest właściwie bramką logiczną Exclusive-Or (XOR), ponieważ na wyjściu pojawia się stan wysoki kiedy na jednym z dwóch wejść pojawia się stan wysoki. Na Rysunku 1.7 zostały przedstawione sygnały występujące w różnych punktach testowych demodulatora. Układy wewnętrzne demodulatora BPSK spełniają następujące funkcje: Detektor przejścia przez zero (ang. Zero Crossing Detector) dokonuje zamiany sygnału analogowego BPSK na sygnał cyfrowy (TTL) BPSK o tej samej częstotliwości i fazie. Sygnał cyfrowy BPSK jest możliwy do zaobserwowania w punkcie testowym (TP1) 6

Mikser detektora miksuje cyfrowy sygnał BPSK (TP1) ze zregenerowaną falą nośną (TP2) w celu otrzymania danych pierwotnych (TP4) Filtr 2.4 khz usuwa niechciane składowe wyższych częstotliwości z pierwotnego sygnału danych (TP8). Układ kształtowania sygnału (ang. Shaper) z wyfiltrowanego analogowego sygnału danych tworzy czysty sygnał danych wyjściowych w standardzie TTL Przełącznik odwrócenia fazy (ang. Invert) pozwala na odwrócenie stanu sygnału danych wyjściowych, w przypadku jeżeli jest to konieczne ze względu na błąd (niejednoznaczność fazy) Rysunek 1.7. Demodulacja sygnału BPSK Demodulator BPSK zawiera również regenerator fali nośnej, który składa się z: konwencjonalnego obwodu PLL (ang. Phase-locked loop), przesuwnika fazowego (ang. Phase Shifter) i miksera pętli Costasa. PLL (ang. Phase-locked loop) Obwód PLL składa się z generatora sterowanego napięciem (ang. Voltage-Controlled Oscilator), miksera PLL oraz filtra dolnoprzepustowego o częstotliwości granicznej 2.5 Hz. Aby zrozumieć zasadę działania obwodu PLL należy założyć, że filtrowany sygnał danych (TP8) jest w stanie niskim oraz, że w sygnale TTL BPSK (TP1) nie występują żadne zmiany fazy. Z założenia tego wynika, że sygnały w punktach testowych TP5 i TP7 są identyczne a mikser pętli Costasa jest wtedy ignorowany. Rysunek 1.8 przedstawia sygnały pochodzące z obwodu PLL. (Patrz również: rysunek 1.6). 7

Rysunek 1.8. Sygnały obwodu PLL Generator VCO generuje sygnał TTL o kształcie prostokątnym (TP3). Kiedy VCO jest w stanie zsynchronizowania to wtedy częstotliwość sygnału wytwarzanego przez generator jest równa częstotliwości fali nośnej BPSK. Mikser PLL mnoży sygnał BPSK (TP1) z sygnałem pochodzącym z wyjścia VCO (TP3). Różnica fazy obu sygnałów jest sygnałem błędu fazowego (TP5). Składowa stała sygnału błędu fazowego jest poziomem napięcia który jest proporcjonalny do tego sygnału. Sygnał błędu fazowego (TP5) przechodzi przez mikser pętli Costasa do wejścia (TP7) filtra 2,5Hz. Mikser pętli Costasa nie ma żadnego wpływu na sygnał błędu fazowego, ponieważ sygnał w punkcie testowym TP8 jest w stanie niskim. Filtr 2,5 Hz usuwa składowe zmienne z sygnału w punkcie testowym TP7 pozostawiając tylko składową stałą. Napięcie stałe jest sygnałem sterującym generatorem VCO (TP6). Jego poziom jest określony różnicą faz między sygnałem BPSK a sygnałem wyjściowym VCO i jest użyty w sprzężeniu zwrotnym do utrzymania stałej różnicy faz. Kiedy VCO jest w stanie zsynchronizowania jego sygnał sterujący ma stały poziom. Przesuwnik fazowy. Mikser PLL i Filtr 2,5 Hz tworzą pętlę sprzężenia zwrotnego, która dąży do utrzymania stanu synchronizacji sygnału wejściowego generatora VCO oraz odbieranego sygnału BPSK. W przypadku normalnego stanu pracy układu, sygnał na wyjściu VCO (TP3) opóźnia się albo wyprzedza sygnał BPSK o około 90 (TP1). Mikser detektora w demodulatorze BPSK wymaga aby zregenerowany sygnał nośny (TP2) był albo w fazie albo przesunięty o 180 względem sygnału BPSK, dlatego też przesuwnik fazowy (PF) przesuwa sygnał generatora VCO o 90, przed wprowadzeniem go do miksera demodulatora BPSK. 8

Mikser pętli Costasa. Obwód PLL ma jedną pętlę sprzężenia zwrotnego, która utrzymuje synchronizację pracy VCO w stosunku do sygnału wyjściowego. W pętli Costasa występuje druga pętla sprzężenia zwrotnego. Pozwala ona na utrzymanie synchronizacji pracy VCO nawet gdy sygnał wejściowy zmienia fazę. Ta druga pętla sprzężenia zwrotnego składa się z: miksera detektora, filtra 2,4 khz i miksera pętli Costasa. Działanie pętli Costasa jest zaprezentowane na rysunku 1.9. Po otrzymaniu sygnału BPSK generator VCO demodulatora rozpoczyna wytwarzanie sygnału wyjściowego, synchronizując się do jednej z dwóch faz sygnału wejściowego. W mikserze PLL sygnał z generatora VCO jest mnożony z sygnałem BPSK. W efekcie uzyskiwany jest sygnał błędu fazowego (TP5) podawany następnie przez mikser pętli Costasa na wejście filtru dolnoprzepustowego 2.5Hz. Kiedy odfiltrowany sygnał danych (TP8) jest w stanie niskim (lewa strona rysunku 1.9) mikser pętli Costasa nie ma żadnego wpływu na sygnał błędu fazowego, w następstwie czego sygnał w punkcie testowym TP7 jest identyczny z sygnałem w punkcie testowym TP5. Kiedy wystąpi przesunięcie fazowe o 180 w sygnale BPSK również takie samo przesunięcie jest widoczne w sygnale błędu fazowego (TP5) i sygnale wyjściowym miksera pętli Costasa (TP7). Odwrócenie sygnału w punkcie testowym TP7 powoduje zmianę poziomu składowej stałej. Z powodu niskiej częstotliwości odcięcia filtru (FD) wynoszącej 2,5 Hz sygnał sterujący generatora VCO (TP6) zmienia się bardzo powoli. Przesunięcie fazy w sygnale BPSK powoduje również przejście pierwotnego sygnału danych (TP4) i odfiltrowanego sygnału danych (TP8) w stan wysoki. Kiedy odfiltrowany sygnał danych zmienia stan na Rysunek 1.9. Działanie pętli Costasa 9

wysoki, wtedy mikser pętli Costasa odwraca sygnał w punkcie testowym TP7. To drugie odwrócenie niweluje pierwsze odwrócenie i utrzymuje synchronizację (zgodnie ze starą fazą) pracy generatora VCO. Taka zasada działania sprawia, że VCO jest w pewnym sensie oszukane co do zmiany faz. Powoduje to utrzymanie zregenerowanego sygnału nośnego w stanie stabilnym pomimo zmian fazy sygnału BPSK. 1.2 Część praktyczna Opis ćwiczenia Ćwiczenie to polega na obserwacji generacji i demodulacji sygnałów BPSK. Na Rysunku 1.10 zostały pokazane elementy wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają się na nie: - Zasilacz/Dwukanałowy Wzmacniacz Audio (ang. Power Supply/ Dual Audio Amplifier) - Analizator Widma (ang. Spectrum Analizer) - Licznik Częstotliwości (ang. Frequency Counter) - Cyfrowy System Obudowy (ang. Digital System Enclosure) - Generator Sygnału Zegarowego (Generator CG ang. Clock Generator) - Generator Przypadkowego (losowego) Kodu Binarnego (Generator PRBSG ang. Pseudo-Random Binary Sequence Generator) - Synchroniczny Generator Audio (Generator SAG ang. Synchronous Audio Generator) - Przerywacz Sygnału / Selektor (ang. Signal Interruptor/Selector) - Modulator BPSK - Demodulator BPSK - Oscyloskop - Wirtualny Interfejs Aparatury Pomiarowej (ang. Virtual Test Equipment Interface) Zasada działania układu jest następująca: Generator Sygnału Zegarowego (generator CG) na wyjściu B wytwarza sygnał o częstotliwości 180kHz podawany na wejście zegarowe modulatora BPSK. Sygnał ten jest wykorzystywany w Generatorze Sygnału Nośnego (ang. Carrier Generator) modulatora BPSK do wytwarzania sinusoidalnej fali nośnej o częstotliwości 1,8kHz. Zegarowe Generator Sygnału Zegarowego Wyjście 1 Synchroniczny Generator Audio Wyjście B Wyjście Dzielnika Zegarowe Licznik Częstotliwości Generator PRBSG Wyjście PRBS Danych Zegarowe Modulator BPSK Punkty Testowe BPSK Wyjście Modulatora Fazy Analizator Widma Demodulator BPSK Punkty Testowe Przerywacz Sygnału/ Selektor Selektor 1 Selektor 2 Oscyloskop Rysunek 1.10. Schemat układu pozwalającego na obserwację procesu modulacji i demodulacji BPSK Wyjście 1 Generatora Sygnału Zegarowego dostarcza sygnał zegarowy o częstotliwości 90kHz do Synchronicznego Generatora Audio (generator SAG). Generator SAG dzieli tę częstotliwość przez 100 aby otrzymać sygnał zegarowy 900 Hz, który jest podawany na 10

wejście zegarowe Generatora Przypadkowego Kodu Binarnego (generatora PRBSG). Generator PRBSG generuje sygnał danych (900 bitów/s), który jest dostarczany do wejścia danych modulatora BPSK. Demodulator dokonuje demodulacji sygnału BPSK pochodzącego z modulatora BPSK. W ćwiczeniu jako pierwszy zostanie przedstawiony proces modulacji BPSK wraz z właściwościami sygnałów BPSK w dziedzinie czasu. W następnych fragmentach ćwiczenia można będzie zaobserwować działanie obwodu PLL w demodulatorze BPSK. Ostatnia część ćwiczenia, będzie polegać na obserwacji właściwości sygnałów BPSK w dziedzinie częstotliwości. 11