Jak zdemodulować przebieg AM

Demodulacja częstotliwości radiowych
Dowiedz się o dwóch obwodach, które mogą wydobywać oryginalne informacje z modulowanego amplitudowo sygnału nośnego.

W tym momencie wiemy, że modulacja odnosi się do celowej modyfikacji sinusoidy tak, aby mogła przenosić informacje o niższej częstotliwości z nadajnika do odbiornika. Omówiliśmy również wiele szczegółów związanych z różnymi metodami - amplitudą, częstotliwością, fazą, analogiem, cyfrą - kodowania informacji w fali nośnej.

Ale nie ma powodu, aby integrować dane w przesyłanym sygnale, jeśli nie możemy wydobyć tych danych z odebranego sygnału, i dlatego musimy zbadać demodulację. 

Obwody demodulacji sięgają od czegoś tak prostego jak zmodyfikowany detektor pików do czegoś tak złożonego jak spójna konwersja kwadraturowa w dół połączona z wyrafinowanymi algorytmami dekodującymi wykonywanymi przez cyfrowy procesor sygnałowy.

Tworzenie sygnału
Użyjemy LTspice do badania technik demodulacji fali AM. Ale zanim zdemodulujemy, potrzebujemy czegoś, co jest modulowane.

Na stronie modulacji AM widzieliśmy, że do wygenerowania fali AM potrzebne są cztery rzeczy. Po pierwsze, potrzebujemy fali pasma podstawowego i fali nośnej. Następnie potrzebujemy obwodu, który może dodać odpowiednie przesunięcie prądu stałego do sygnału pasma podstawowego. 

I wreszcie, potrzebujemy mnożnika, ponieważ matematyczna zależność odpowiadająca modulacji amplitudy zwielokrotnia przesunięty sygnał pasma podstawowego przez nośną.

Poniższy obwód LTspice wygeneruje falę AM.

* V1 to źródło napięcia sinusoidalnego 1 MHz, które zapewnia oryginalny sygnał pasma podstawowego.

* V3 wytwarza falę sinusoidalną 100 MHz dla nośnej.

* Obwód wzmacniacza operacyjnego jest przesuwnikiem poziomu (zmniejsza również amplitudę wejściową o połowę). Sygnał pochodzący z V1 jest falą sinusoidalną, która waha się od –1 V do +1 V, a wyjście wzmacniacza operacyjnego jest falą sinusoidalną, która waha się od 0 V do +1 V.

* B1 jest „arbitralnym behawioralnym źródłem napięcia”. Jego pole „wartości” jest raczej formułą niż stałą; w tym przypadku formuła jest przesuniętym sygnałem pasma podstawowego pomnożonym przez przebieg fali nośnej. W ten sposób B1 można wykorzystać do przeprowadzenia modulacji amplitudy.

Oto przesunięty sygnał pasma podstawowego:

I tutaj możesz zobaczyć, w jaki sposób zmiany AM odpowiadają sygnałowi pasma podstawowego (tj. Pomarańczowy ślad, który jest w większości zasłonięty przez niebieski przebieg):

Demodulacji

Jak omówiono na stronie modulacji AM, operacja zwielokrotnienia zastosowana do przeprowadzenia modulacji amplitudy powoduje przeniesienie widma pasma podstawowego do pasma otaczającego dodatnią częstotliwość nośną (+ fC) i ujemną częstotliwość nośną (–fC). 

Zatem możemy myśleć o modulacji amplitudy jako o przesunięciu pierwotnego spektrum w górę o fC i w dół o fC. Wynika z tego, że zwielokrotnienie modulowanego sygnału przez częstotliwość nośną przeniesie widmo z powrotem do jego pierwotnej pozycji - tj. Przesunie widmo w dół o fC, tak że ponownie zostanie wyśrodkowane wokół 0 Hz.

Opcja 1: Mnożenie i filtrowanie
Poniższy schemat LTspice obejmuje demodulujące dowolne behawioralne źródło napięcia; B2 zwielokrotnia sygnał AM przez przewoźnika.

 

A oto wynik:

To zdecydowanie nie wygląda poprawnie. Po powiększeniu widzimy:

I to ujawnia problem. Po modulacji amplitudy widmo pasma podstawowego jest wyśrodkowane wokół + fC. Mnożenie fali AM przez nośną przesuwa widmo pasma podstawowego do 0 Hz, ale również przesuwa go do 2fC (w tym przypadku 200 MHz), ponieważ (jak wspomniano powyżej) mnożenie przesuwa istniejące widmo w górę o fC i w dół o fC .

Oczywiste jest zatem, że samo zwielokrotnienie nie wystarcza do właściwej demodulacji. Potrzebujemy mnożenia i filtra dolnoprzepustowego; filtr tłumi widmo przesunięte do 2fC. Poniższy schemat obejmuje filtr dolnoprzepustowy RC o częstotliwości odcięcia ~ 1.5 MHz.

A oto demodulowany sygnał:

Ta technika jest w rzeczywistości bardziej skomplikowana niż się wydaje, ponieważ faza fali nośnej częstotliwości odbiornika musi być zsynchronizowana z fazą nośnej nadajnika. Omówiono to szerzej na stronie 5 tego rozdziału (Zrozumienie demodulacji kwadraturowej).

Opcja 2: detektor pików

Jak widać powyżej na wykresie, który pokazuje przebieg AM (na niebiesko) i przesunięty przebieg na pasmo podstawowe (na pomarańczowo), dodatnia część „obwiedni” AM odpowiada sygnałowi w paśmie podstawowym. 

Termin „obwiednia” odnosi się do zmian amplitudy sinusoidalnej nośnika (w przeciwieństwie do zmian chwilowej wartości samego kształtu fali). Gdybyśmy mogli w jakiś sposób wyodrębnić dodatnią część obwiedni AM, moglibyśmy odtworzyć sygnał pasma podstawowego bez użycia mnożnika.

Okazuje się, że dość łatwo przekonwertować dodatnią obwiednię na normalny sygnał. Zaczynamy od detektora szczytowego, który jest tylko diodą, a następnie kondensatorem. 

Dioda przewodzi, gdy sygnał wejściowy jest co najmniej ~ 0.7 V powyżej napięcia na kondensatorze, a w przeciwnym razie działa jak obwód otwarty. Tak więc kondensator utrzymuje napięcie szczytowe: jeśli obecne napięcie wejściowe jest niższe niż napięcie kondensatora, napięcie kondensatora nie maleje, ponieważ dioda skierowana do tyłu zapobiega rozładowaniu.

Nie chcemy jednak detektora szczytowego, który utrzyma napięcie szczytowe przez długi okres czasu. Zamiast tego chcemy obwód, który zachowuje pik w stosunku do zmian wysokiej częstotliwości kształtu fali nośnej, ale nie zachowuje piku w stosunku do zmian o niższej częstotliwości w obwiedni. Innymi słowy, chcemy detektora pików, który utrzymuje pik tylko przez krótki okres czasu. 

Osiągamy to poprzez dodanie równoległego oporu, który umożliwia rozładowanie kondensatora. (Ten typ obwodu nazywany jest „detektorem nieszczelności szczytowych”, gdzie „nieszczelność” odnosi się do ścieżki rozładowania zapewnianej przez rezystor.) Rezystancja jest wybierana w taki sposób, że rozładowanie jest wystarczająco wolne, aby wygładzić częstotliwość nośną i wystarczająco szybkie, aby nie wygładź częstotliwości obwiedni.

Oto przykład detektora nieszczelności dla demodulacji AM:

Zauważ, że wzmocniłem sygnał AM pięciokrotnie, aby sygnał wejściowy detektora szczytowego był większy w stosunku do napięcia przewodzenia diody. Poniższy wykres przedstawia ogólny wynik, który próbujemy osiągnąć za pomocą detektora nieszczelności piku.

Ostateczny sygnał wykazuje oczekiwaną charakterystykę ładowania / rozładowania:




Do wyrównania tych zmian można zastosować filtr dolnoprzepustowy.

Podsumowanie

* W LTspice dowolne behawioralne źródło napięcia można wykorzystać do utworzenia fali AM.

* Przebiegi AM można demodulować za pomocą multiplikatora, a następnie filtra dolnoprzepustowego.

* Prostszym (i tańszym) podejściem jest zastosowanie detektora nieszczelności szczytowej, tj. Detektora szczytowego o równoległej rezystancji, który umożliwia rozładowanie kondensatora z odpowiednią prędkością.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów