Slik demodulerer du en AM-bølgeform

Radiofrekvensdemodulasjon
Lær om to kretsløp som kan hente ut den opprinnelige informasjonen fra et amplitudemodulert bæresignal.

På dette tidspunktet vet vi at modulasjon refererer til med vilje å modifisere en sinusoid slik at den kan frakte informasjon om lavere frekvens fra en sender til en mottaker. Vi har også dekket mange detaljer knyttet til de forskjellige metodene - amplitude, frekvens, fase, analog, digital - for kodingsinformasjon i en bærebølge.

Men det er ingen grunn til å integrere data i et overført signal hvis vi ikke kan hente ut dataene fra det mottatte signalet, og det er derfor vi trenger å studere demodulering. 

Demoduleringskretser spenner fra noe så enkelt som en modifisert toppdetektor til noe så komplekst som koherent kvadratur nedkonvertering kombinert med sofistikerte dekodingsalgoritmer utført av en digital signalprosessor.

Opprette signalet
Vi bruker LTspice for å studere teknikker for demodulering av en AM-bølgeform. Men før vi demodulerer trenger vi noe som er modulert.

På AM-modulasjonssiden så vi at fire ting er nødvendig for å generere en AM-bølgeform. Først trenger vi en basebandbølgeform og en bærebølgeform. Da trenger vi en krets som kan legge til en passende DC-forskyvning til basebandsignalet. 

Og til slutt trenger vi en multiplikator, siden det matematiske forholdet som tilsvarer amplitude-modulasjon, multipliserer det forskjøvede basebandsignalet med bæreren.

Følgende LTspice-krets vil generere en AM-bølgeform.

* V1 er en sinusbølgespenningskilde på 1 MHz som gir det originale basebandsignalet.

* V3 produserer en 100 MHz sinusbølge for transportøren.

* Op-amp-kretsen er en nivåskifter (den reduserer også inngangsamplitude med halvparten). Signalet som kommer fra V1 er en sinusbølge som svinger fra –1 V til +1 V, og utgangen fra op-forsterkeren er en sinusbølge som svinger fra 0 V til +1 V.

* B1 er en "vilkårlig atferdsspenningskilde." Dens “verdi” -felt er en formel i stedet for en konstant; i dette tilfellet er formelen det skiftede basebandsignalet multiplisert med bærebølgeformen. På denne måten kan B1 brukes til å utføre amplitudemodulasjon.

Her er det skiftede basebandsignalet:

Og her kan du se hvordan AM-variasjonene tilsvarer basisbåndssignalet (dvs. den oransje sporen som for det meste blir tilslørt av den blå bølgeformen):

Demodulasjon

Som diskutert på AM-modulasjonssiden, har multiplikasjonsoperasjonen som brukes til å utføre amplitude-modulering effekten av å overføre basisbåndspekteret til et bånd som omgir den positive bærefrekvensen (+ fC) og den negative bærefrekvensen (–fC). 

Dermed kan vi tenke på amplitudemodulasjon som å forskyve det originale spekteret oppover av fC og nedover med fC. Det følger da at å multiplisere det modulerte signalet med bærefrekvensen vil overføre spekteret tilbake til sin opprinnelige posisjon - dvs. at det vil forskyve spekteret nedover med fC slik at det igjen er sentrert rundt 0 Hz.

Alternativ 1: Multiplikasjon og filtrering
Følgende LTspice-skjema inkluderer en demodulerende vilkårlig atferdsspenningskilde; B2 multipliserer AM-signalet med transportøren.

 

Og her er resultatet:

Dette ser definitivt ikke riktig ut. Hvis vi zoomer inn, ser vi følgende:

Og dette avslører problemet. Etter amplitude-modulering er basebåndspekteret sentrert rundt + fC. Multiplisering av AM-bølgeformen med bæreren forskyver basebåndspektret ned til 0 Hz, men den forskyver også den opp til 2fC (i dette tilfellet 200 MHz), fordi (som nevnt ovenfor) multiplisering flytter det eksisterende spekteret opp med fC og ned med fC .

Det er da klart at multiplikasjon alene ikke er tilstrekkelig for riktig demodulering. Det vi trenger er multiplikasjon og et lavpassfilter; filteret demper spekteret som ble forskjøvet opp til 2fC. Følgende skjema inkluderer et RC lavpassfilter med en avskjæringsfrekvens på ~ 1.5 MHz.

Og her er det demodulerte signalet:

Denne teknikken er faktisk mer komplisert enn den ser ut fordi fasen til mottakerens bærefrekvensbølgeform må synkroniseres med fasen til senderens bærer. Dette diskuteres nærmere på side 5 i dette kapittelet (Understanding Quadrature Demodulation).

Alternativ 2: Toppdetektor

Som du ser over i plottet som viser AM-bølgeformen (i blått) og den forskjøvede båndbølgeformen (i oransje), samsvarer den positive delen av AM-konvolutten med basisbåndsignalet. 

Begrepet "konvolutt" refererer til transportørens variasjoner i sinusformet amplitude (i motsetning til variasjonene i øyeblikkelig verdi av selve bølgeformen). Hvis vi på en eller annen måte kunne trekke ut den positive delen av AM-konvolutten, kunne vi gjengi basebandsignalet uten å bruke en multiplikator.

Det viser seg at det er ganske enkelt å konvertere den positive konvolutten til et normalt signal. Vi starter med en toppdetektor, som bare er en diode etterfulgt av en kondensator. 

Dioden leder når inngangssignalet er minst ~ 0.7 V over spenningen på kondensatoren, og ellers fungerer den som en åpen krets. Dermed opprettholder kondensatoren toppspenningen: hvis den nåværende inngangsspenningen er lavere enn kondensatorspenningen, reduseres ikke kondensatorspenningen fordi den omvendt forspente dioden forhindrer utladning.

Vi ønsker imidlertid ikke en toppdetektor som vil beholde toppspenningen i lang tid. I stedet ønsker vi en krets som beholder toppen i forhold til høyfrekvente variasjoner av bærebølgeformen, men ikke beholder toppen i forhold til konvoluttenes lavere frekvensvariasjoner. Vi vil med andre ord ha en toppdetektor som bare holder toppen i en kort periode. 

Vi oppnår dette ved å legge til parallell motstand som gjør at kondensatoren kan tømme. (Denne typen krets kalles en "lekker toppdetektor", der "lekker" refererer til utløpsveien som leveres av motstanden.) Motstanden velges slik at utladningen er langsom nok til å jevne ut bærefrekvensen og rask nok til å ikke glatt ut konvoluttfrekvensen.

Her er et eksempel på en lekker toppdetektor for AM-demodulering:

Legg merke til at jeg har forsterket AM-signalet med en faktor på fem for å gjøre toppdetektorens inngangssignal større i forhold til diodens forspenning. Følgende plott formidler det generelle resultatet som vi prøver å oppnå med den lekke toppdetektoren.

Det endelige signalet viser den forventede ladning / utladningskarakteristikk:




Et lavpassfilter kan brukes til å jevne ut disse variasjonene.

Oppsummering

* I LTspice kan en vilkårlig atferdsspenningskilde brukes til å lage en AM-bølgeform.

* AM-bølgeformer kan demoduleres ved hjelp av en multiplikator fulgt av et lavpassfilter.

* En enklere (og lavere pris) tilnærming er å bruke en lekker toppdetektor, dvs. en toppdetektor med parallell motstand som gjør at kondensatoren kan tømme med en passende hastighet.

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste