Jak zdemodulować kształt fali FM

Demodulacja częstotliwości radiowych
Dowiedz się o dwóch technikach odzyskiwania sygnału pasma podstawowego z nośnej modulowanej częstotliwościowo.

Modulacja częstotliwości zapewnia lepszą wydajność w porównaniu z modulacją amplitudy, ale nieco trudniej jest wydobyć oryginalne informacje z fali FM. Istnieje kilka różnych sposobów demodulacji FM; na tej stronie omówimy dwa. Jeden z nich jest dość prosty, a drugi jest bardziej złożony.

Tworzenie sygnału
Podobnie jak w Jak demodulować przebieg AM, użyjemy LTspice do zbadania demodulacji FM, i jeszcze raz musimy najpierw przeprowadzić modulację częstotliwości, abyśmy mieli coś do demodulacji. 

Jeśli spojrzysz wstecz na stronę o analogowej modulacji częstotliwości, zobaczysz, że związek matematyczny jest mniej prosty niż w przypadku modulacji amplitudy. 

W przypadku AM po prostu dodaliśmy przesunięcie, a następnie wykonaliśmy zwykłe mnożenie. W przypadku FM musimy dodawać ciągle zmieniające się wartości do ilości wewnątrz funkcji sinusoidalnej (lub cosinusowej), a ponadto te ciągle zmieniające się wartości nie są sygnałem pasma podstawowego, ale raczej całką sygnału pasma podstawowego.

W związku z tym nie możemy wygenerować fali FM za pomocą dowolnego behawioralnego źródła napięcia i prostej relacji matematycznej, tak jak to zrobiliśmy z AM. Okazuje się jednak, że w rzeczywistości łatwiej jest wygenerować sygnał FM. Po prostu używamy opcji SFFM dla normalnego źródła napięcia:

Następujący „obwód” jest wszystkim, czego potrzebujemy do stworzenia fali FM składającej się z nośnej 10 MHz i sinusoidalnego sygnału pasma podstawowego 1 MHz:




Zauważ, że wskaźnik modulacji wynosi pięć; wyższy wskaźnik modulacji ułatwia dostrzeżenie zmian częstotliwości. Poniższy wykres pokazuje przebieg utworzony przez źródło napięcia SFFM.

Demodulacja: filtr górnoprzepustowy
Pierwsza technika demodulacji, na którą się przyjrzymy, rozpoczyna się od filtra górnoprzepustowego. Zakładamy, że mamy do czynienia z wąskopasmowym FM. Musimy zaprojektować filtr górnoprzepustowy tak, aby tłumienie zmieniało się znacznie w paśmie częstotliwości, którego szerokość jest dwa razy większa niż szerokość pasma podstawowego. Przyjrzyjmy się dokładniej tej koncepcji.

Odebrany sygnał FM będzie miał widmo skoncentrowane wokół częstotliwości nośnej. Szerokość widma jest w przybliżeniu równa dwukrotności szerokości pasma sygnału pasma podstawowego; współczynnik dwóch wynika z przesunięcia dodatnich i ujemnych częstotliwości pasma podstawowego i jest „w przybliżeniu” równy, ponieważ całkowanie zastosowane do sygnału pasma podstawowego może wpływać na kształt modulowanego widma. 

Zatem najniższa częstotliwość w modulowanym sygnale jest w przybliżeniu równa częstotliwości nośnej minus najwyższa częstotliwość w sygnale pasma podstawowego, a najwyższa częstotliwość w modulowanym sygnale jest w przybliżeniu równa częstotliwości nośnej plus najwyższa częstotliwość w sygnale pasma podstawowego.

Nasz filtr górnoprzepustowy musi mieć odpowiedź częstotliwościową, która powoduje, że najniższa częstotliwość w modulowanym sygnale jest znacznie tłumiona bardziej niż najwyższa częstotliwość w modulowanym sygnale. Jeśli zastosujemy ten filtr do fali FM, jaki będzie wynik? Będzie to mniej więcej tak:

Wykres ten pokazuje zarówno pierwotny przebieg FM, jak i przebieg z filtrem górnoprzepustowym, dla celów porównania. Następny wykres pokazuje tylko przefiltrowany przebieg, dzięki czemu można go lepiej zobaczyć.

Dzięki zastosowaniu filtra zmieniliśmy modulację częstotliwości w modulację amplitudy. Jest to wygodne podejście do demodulacji FM, ponieważ pozwala nam czerpać korzyści z obwodu detektora obwiedni, który został opracowany do użytku z modulacją amplitudy. Filtr zastosowany do wytworzenia tego przebiegu był niczym więcej niż górnoprzepustowym RC z częstotliwością odcięcia w przybliżeniu równą częstotliwości nośnej.

Hałas amplitudy

Prostota tego schematu demodulacji w naturalny sposób sprawia, że ​​myślimy, że nie jest to opcja o najwyższej wydajności, aw rzeczywistości to podejście ma poważną słabość: jest wrażliwe na zmiany amplitudy. 

Nadawany sygnał będzie miał stałą obwiednię, ponieważ modulacja częstotliwości nie pociąga za sobą zmian amplitudy nośnej, ale na odbierany sygnał nie będzie miała stałej obwiedni, ponieważ źródła błędów nieuchronnie wpływają na amplitudę.

W związku z tym nie możemy zaprojektować akceptowalnego demodulatora FM po prostu poprzez dodanie filtra górnoprzepustowego do demodulatora AM. Potrzebujemy również ogranicznika, który jest obwodem łagodzącym zmiany amplitudy poprzez ograniczenie odbieranego sygnału do określonej amplitudy. 

Istnienie tego prostego i skutecznego środka na zmiany amplitudy umożliwia FM utrzymanie jego większej (w porównaniu do AM) odporności na szum amplitudowy: Nie możemy używać ogranicznika z sygnałami AM, ponieważ ograniczenie amplitudy powoduje uszkodzenie informacji zakodowanych w nośnej. Z drugiej strony FM koduje wszystkie informacje w charakterystyce czasowej transmitowanego sygnału.

Demodulacja: Pętla z zablokowaną fazą
Pętlę fazową (PLL) można wykorzystać do stworzenia złożonego, ale wysokowydajnego obwodu do demodulacji FM. PLL może „zablokować” częstotliwość nadchodzącego przebiegu. Odbywa się to poprzez połączenie detektora fazy, filtra dolnoprzepustowego (inaczej „filtra pętlowego”) i oscylatora sterowanego napięciem (VCO) w układzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, jak następuje:

Po zablokowaniu PLL może utworzyć sinusoidę wyjściową, która podąża za zmianami częstotliwości w przychodzącym sinusoidie. Ten przebieg wyjściowy zostałby wzięty z wyjścia VCO. 

Jednak w aplikacji demodulatora FM nie potrzebujemy sinusoidy wyjściowej o takiej samej częstotliwości jak sygnał wejściowy. Zamiast tego używamy wyjścia z filtra pętlowego jako sygnału demodulowanego. Zobaczmy, dlaczego jest to możliwe.

Detektor fazy wytwarza sygnał, który jest proporcjonalny do różnicy faz między przychodzącym przebiegiem fali a wyjściem VCO. Filtr pętli wygładza ten sygnał, który następnie staje się sygnałem sterującym dla VCO. 

Zatem jeśli częstotliwość sygnału przychodzącego stale rośnie i maleje, sygnał sterujący VCO musi odpowiednio wzrastać i zmniejszać, aby zapewnić, że częstotliwość wyjściowa VCO pozostaje równa częstotliwości wejściowej. Innymi słowy, wyjście filtra pętli jest sygnałem, którego zmiany amplitudy odpowiadają zmianom częstotliwości wejściowej. W ten sposób PLL dokonuje demodulacji częstotliwości.

Podsumowanie

* W LTspice sinusoidę modulowaną częstotliwościowo można wygenerować za pomocą opcji SFFM dla standardowych źródeł napięcia.

* Prosta i skuteczna technika demodulacji FM obejmuje filtr górnoprzepustowy (do konwersji FM-AM), a następnie demodulator AM.

* Demodulator FM oparty na filtrze górnoprzepustowym jest poprzedzony ogranicznikiem, aby zapobiec wystąpieniu błędu amplitudy w demodulowanym sygnale.

* Pętla synchronizacji fazowej może być wykorzystana do uzyskania wysokiej wydajności demodulacji FM. Zastosowanie PLL z układem scalonym czyni to podejście mniej skomplikowanym, niż mogłoby się wydawać.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów