De relatie tussen fasemodulatie en fase-locked lussen (plls)

Soorten fasemodulatie

Er zijn twee primaire vormen van fasemodulatie die in de praktijk worden gebruikt: analoge fasemodulatie en digitale fasemodulatie. In analoge PM worden de continue variatie van het signaal direct verplaatst naar de carrierfase. Deze techniek verschijnt in vroege telemetriesystemen en een aantal analoge audiotransmissiemethoden. Digitale fasemodulatie, aan de andere kant, kaarten discrete digitale symbolen naar specifieke fasetoestanden .Varianten zoals binair PSK (BPSK), kwadratuur PSK (QPSK), en hogere volgorde PSK (8-PSK, 16-PSK) zijn funderings-aanwijzingen voor moderne draadloze communicatie omdat ze een efficiënt bandbreedtegebruik en robuuste foutprestaties bieden. De relatie tussen PM en PLL's is met name cruciaal voor het demoduleren van deze digitale vormen van fasemodulatie.

Hoe fase-vergrendelde lusjes werken

Een fase-gesloten lus (PLL) is een gesloten-lus feedback control systeem dat een lokale oscillator synchronisaties output signaal in fase en frequentie met een inkomende referentiesignaal. De PLL . de mogelijkheid om fase variaties te volgen maakt het een essentiële bouwsteen in bijna alle moderne communicatie, timing en frequentie synthese systemen. De kern lus bestaat uit drie essentiële componenten: een fase detector (PD), een lus filter en een spanning-gecontroleerde oscillator (VCO). Bovendien, veel PLL's omvatten een frequentie verdeler in het feedback pad om signalen te genereren bij meerdere of submultiples van de referentiefrequentie.

Fasedetector

De fasedetector vergelijkt de fase van het ingangsreferentiesignaal met de fase van de VCO-uitgang (of een verdeelde versie daarvan). Het produceert een uitgangsspanning (of stroom) die evenredig is aan het faseverschil tussen deze twee signalen. De uitvoering van de gemeenschappelijke fasedetector omvat analoge multiplicatoren (mixers), digitale XOR-poorten en sequentiële detectoren zoals fasefrequentiedetectoren (PFD's). De keuze van fasedetector heeft invloed op het PLL-lockbereik, de overnametijd en de geluidsprestaties. Voor PM-demodulatie wordt vaak een multiplier-type fasedetector gebruikt omdat de output een onderdeel bevat dat direct verband houdt met het faseverschil, dat later de fase-gemoduleerde drager demoduleert.

Filter verwijderen

Het lusfilter is meestal een laag-doorlaatfilter dat high-frequency componenten uit de fasedetector uitgang verwijdert, waardoor een gladde DC of langzaam wisselende controle signaal. Het ontwerp .of passieve (resistors en condensatoren) of actief (met operationele versterkers) .beëindigt de dynamische gedrag, met inbegrip van het slot bereik, afvang bereik, en transient respons. De lus filter . bandbreedte moet balanceer twee concurrerende eisen: breed genoeg om snelle fase variaties (zoals die in high-data-snelheid PM signalen) te volgen, maar smal genoeg om geluid en ongewenste signalen te weigeren. In PM demodulatie, de lus filter ..bandbreedte is ingesteld om de outlating signaalfrequenties passeren terwijl het filter uit de dragerfrequentie en de harmonischen.

Oscillator met spanningsregelaar (VCO)

De VCO genereert een uitgangssignaal waarvan de frequentie wordt geregeld door de spanning die wordt toegepast vanuit het lusfilter. Idealiter is de VCO-frequentie een lineaire functie van de regelspanning. De VCO-uitgang wordt teruggevoerd naar de fasedetector, waardoor de lus wordt gesloten. Wanneer de PLL in het slot zit, is de VCO-frequentie gelijk aan de referentiefrequentie (of een veelvoud, als er een verdeler wordt gebruikt), en de fasefout blijft klein maar niet-nul. De regelspanning bij de VCO-ingang vertegenwoordigt effectief het faseverschil dat in de tijd is geïntegreerd. In een PM-demodulatietoepassing is deze regelspanning de gedemoduleerde output .

Soorten Phase-locked Loops

PLL's zijn verkrijgbaar in verschillende architecturen, elk geschikt voor verschillende toepassingen. De analoge lineaire PLL (LPLL) maakt gebruik van analoge multiplicatoren en passieve filters. De digitale PLL (DPLL) vervangt een aantal of alle analoge componenten door digitale circuits, waardoor een betere programmeerbaarheid en geluidsimmuniteit wordt geboden. All-digitale PLL's (ADPLL's) werken volledig in het digitale domein met behulp van numeriek gecontroleerde oscillatoren (NCO's) en digitale loopfilters. Software-gedefinieerde PLL's vergroten de flexibiliteit door de lus in firmware te implementeren. Ongeacht het type blijft de fundamentele relatie tussen fasemodulatie en PLL's onveranderd: de PLL-functie werkt als een coherente fasetracker die het modulerende signaal van een PM-drager kan herstellen.

De verbinding tussen PM en PLL's

De meest directe relatie tussen fasemodulatie en fase-gesloten loops ligt in het gebruik van een PLL als fase-demodulator. Wanneer een fase-gemoduleerd signaal wordt toegepast op een PLL, sluit de lus op de drager en begint onmiddellijk alle fasevariaties die door de modulatie worden geïntroduceerd te volgen. Het PLL . feedbackmechanisme dwingt de VCO fase om de inkomende signaal . Als gevolg daarvan, het foutsignaal in de lus (de fase-detector uitgang) bevat de oorspronkelijke modulerende informatie. Na filtering, dit foutsignaal wordt het gedemoduleerde basisband signaal.

PLL-gebaseerde fase-demodulatie

Om te begrijpen hoe een PLL PM demoduleert, is het een eenvoudig analoog PM signaal: s(t) = A cos(2πf_ct + φ(t)][, waar φ(t) de faseafwijking veroorzaakt door het bericht. Als dit signaal wordt toegepast op een PLL die is vergrendeld aan de carrierfrequentie ]f_]c[]][[FLT:]]], is de VCO-uitgang [[FLT:]]]v[_VCO]t) = B cos(2πf_c[[t + φ_VCO]][T]]]]]]. De fasedetector geeft de twee signalen en geeft een verschil aan.

Dit is een klassieke nul-crossing demodulatie methode. De PLL fungeert in wezen als een smalband tracking filter dat volgt op de momentane fase van de ingang. De regelspanning, hetzij uit de lus filter uitgang of uit een speciaal ontworpen fase detector uitgang, geeft direct het modulerende signaal. Voor digitale fase modulatie (bijv., BPSK, QPSK), de PLL herstelt de carrier fase referentie, en de gedemoduleerde gegevens kunnen worden verkregen door de fase van het binnenkomende signaal te vergelijken met de PLL link.

Wiskundige relatie

Wiskundig kan het gedrag van PLL . worden beschreven door een differentiaalvergelijking die fasefout relateert aan het lusfilter en VCO-winst. Voor een eenvoudige first-order lus, is de functie van de overdracht van de gesloten lus van ingangsfase θ_in(t) naar uitgangsfase θ_out(t) echter een lage pas. De relatie tussen de ingangsfase en het foutsignaal is hoog-pass. Dit betekent langzame faseveranderingen (zoals die van een modulatiesignaal) verschijnen in het foutsignaal en dus in de gedemoduleerde output, terwijl sneller fase-ruis of dragercompensaties worden getraceerd. De lusbandbreedte bepaalt de hoogste modulerende frequentie die kan worden gedemoduleerd met een kritische ontwerpparameter voor PM systemen.

Praktisch Inzicht: In een goed ontworpen PLL-demodulator moet de bandbreedte van de lus worden ingesteld op ongeveer twee keer de hoogste modulerende frequentie om vervorming te voorkomen en stabiele tracking te behouden. Deze regel is met name belangrijk voor toepassingen zoals radio-ontvangers en satelliettelemetrie, waar het modulerende signaalspectrum door de lus moet gaan zonder demping.[

Toepassingen en betekenis

De interactie tussen PM en PLLs is niet alleen theoretisch . Het ondersteunt talloze real-world systemen . Van consumentenelektronica tot diepe-ruimte communicatie , ingenieurs vertrouwen op deze relatie om betrouwbare gegevensoverdracht en frequentieregeling te bereiken . Hieronder zijn belangrijke toepassingsgebieden waar PM en PLL's combineren om prestaties voordelen te leveren .

Digitale communicatiesystemen

Moderne digitale communicatie maakt zwaar gebruik van fasemodulatie vanwege zijn vermogen en bandbreedte-efficiëntie. Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth, lange termijn evolutie (LTE), en 5G Nieuwe Radio alle gebruik maken van varianten van PSK en kwadratuur amplitude modulatie (QAM) die coherente fasedetectie vereisen. In deze systemen, een PLL op de ontvanger synchroniseert de lokale oscillator naar de carrier fase van het binnenkomende signaal, waardoor symbool decodering mogelijk. Zonder PLL's, de ontvanger zou niet in staat zijn om onderscheid te maken tussen verschillende fasestaten . Vooral onder vervagen en Doppler verschuivingen. Bijvoorbeeld, in BPSK, de ontvanger RPL herstelt de drager fase, en het besluit circuit vergelijkt de ontvangen symbool fase met de referentie. Cognitieve radiosystemen en software-gedefinieerde radio's ook gebruik maken van alle digitale PLL's om meerdere PM-systemen dynamisch te demoduleren. Voor meer op digitale communicatie basis, zie WetenschapsDirect artikel over fasemodulatie].

Radioontvangers

Superheterodyne en direct-conversie ontvangers vaak PLL's voor kanaalselectie, carrier recovery en demodulatie. In analoge FM/PM-uitzending ontvangers, een PLL kan dienen als een FM discriminator .Maar het is even effectief voor PM signalen. Narrowband PM wordt gebruikt in veel VHF en UHF-radiosystemen, waaronder openbare veiligheid radio's en luchtvaartcommunicatie. Een PLL-gebaseerde demodulator biedt hoge gevoeligheid, lage vervorming, en uitstekende aangrenzende kanaal afstoting. De controle spanning van de PLL lus filter is het gedemoduleerde audio signaal. Deze aanpak vereenvoudigt het ontwerp van de ontvanger omdat dezelfde PLL kan ook worden gebruikt voor frequentie synthese. Voor een diepere blik op ontvanger architecturen, verwijzen naar de Analog Devices technisch artikel over PLL fundamentals[].

Frequentiesynthese

Frequentiesynthese maakt gebruik van PLL's om een stabiele uitgangsfrequentie te genereren vanuit een stabiele referentie. Door een programmeerbare frequentieverdeler in het feedbackpad te plaatsen, vermenigvuldigt de PLL de referentiefrequentie door de verdelingsverhouding. Deze techniek is essentieel voor het genereren van lokale oscillatorsignalen in zenders en ontvangers. Terwijl frequentiesynthese misschien niet gerelateerd lijkt aan PM, verschijnt de verbinding wanneer de synthesizer direct fasegemoduleerde signalen moet produceren. Bij directe modulatiesynthese wordt het modulerende signaal toegevoegd aan de VCO-besturingsspanning, waardoor de output fase-gemoduleerd wordt. Als alternatief kan het referentiesignaal gefaseerd worden voor de fasedetector, en de PLL reproduceert die modulatie bij de output. Dit staat bekend als tweepuntsmodulatie en wordt veel gebruikt in moderne cellulaire transceivers om breedband PM te bereiken. Zie het Elektronisch ontwerpartikel over PLL's en frequentiesynthese]] voor een overzicht.

Satellietcommunicatie

Satellietverbindingen zijn afhankelijk van fasemodulatie en PLL's om synchronisatie over lange afstanden te handhaven met hoge Doppler-verschuivingen. Veel satelliettelemetrie, commando en verschillende systemen gebruiken fasegemoduleerde subcarriers. Het grondstation PLL moet het satellietsignaal verwerven en volgen ondanks lage signaal-to-ruisratio's en grote frequentieonzekerheden. Deep-space netwerken gebruiken geavanceerde PLL's met adaptieve bandbreedtes om PM-signalen van interplanetaire sondes te demoduleren. De relatie tussen PM en PLL's maakt het mogelijk om extreem zwakke signalen te extraheren die begraven liggen in lawaai, aangezien de PLL's coherente integratie de effectieve signaal-to-ruisverhouding verbetert. Een goede referentie voor satelliet PLL-ontwerp is het IEEEE-papier op PLL-tracking voor diepe ruimtecommunicatie[].

Praktische overwegingen bij het ontwerp

Bij het gebruik van een PLL voor PM demodulatie of generatie, moeten verschillende ontwerpparameters zorgvuldig worden geoptimaliseerd. De bandbreedte van de lus bepaalt de trade-off tussen tracking snelheid en geluid onderdrukking. Voor digitale PM (zoals QPSK), de lus bandbreedte is vaak ingesteld op een fractie van de symbol rate . Meestal ongeveer 1% tot 10% van de data rate. Het type fase detector ook belangrijk. Voor onderdrukte-carrier PM (bijv. BPSK zonder drager component), een Costas loop of een squaring loop wordt gebruikt in plaats van een standaard PLL. Deze gespecialiseerde lussen in wezen uitvoeren drager herstel en demodulatie tegelijkertijd. In directe PLL-gebaseerde transmitters, de modulatie mag niet overschrijden de lussen hold-in bereik; anders, de PLL zal verliezen vergrendeling. Pre-distortion en twee-point modulatie helpen bereiken breedband PM terwijl het resterende in de PLL-gebaseerde reeks.

Geluid en Jitter

Fasegeluid in de VCO en referentie voegt willekeurige schommelingen toe die de nauwkeurigheid van de demodulatie van PM degraderen. Het PLL lusfilter vormt de fasegeluidsoverdrachtfuncties en ontwerpers moeten componenten selecteren om fasegeluid binnen de modulatiebandbreedte te minimaliseren. Additieve ruis van de fasedetector beperkt ook de signaal-ruisverhouding van de gedemoduleerde output. Voor high-performance systemen bieden all-digitale PLL's met digitale filtering en rekenkundige fasedetectie betere geluidsprestaties en flexibiliteit. Het begrijpen van de geluidsbronnen en hun wiskundige modellen is cruciaal voor een betrouwbaar ontwerp van PM systeem.

Conclusie

De relatie tussen fasemodulatie en fase-vergrendelde loops is een van de belangrijkste concepten in communicatietechniek. PM codeert informatie in de fase van een drager, en PLL's bieden een robuust mechanisme om deze fasevariaties te volgen en te demoduleren. Of het nu een Wi-Fi router is die synchroniseert met een QPSK-signaal, een satellietgrondstation-decodering telemetrie, of een radioontvanger die audio haalt uit een smalband PM-transmissie, de PLL dient als het werkpaard van coherente detectie. Door het beheersen van het samenspel tussen deze twee technologieën, kunnen ingenieurs systemen ontwerpen die hogere datasnelheden, verbeterde geluidsimmuniteit en grotere frequentiestabiliteit bereiken. Aangezien communicatiesystemen evolueren naar hogere frequenties en grotere bandbreedtes, zal de binding tussen PM en PLL's onmisbaar blijven. Voor verder lezen over PLL-ontwerp voor digitale modulatie, de Texas Instruments application note on PLL design for QPSK biedt praktische inzichten.