Slik demodulerer du en FM-bølgeform

Radiofrekvensdemodulasjon
Lær om to teknikker for å gjenvinne basebandsignalet fra en frekvensmodulert bærer.

Frekvensmodulering gir forbedret ytelse i forhold til amplitude-modulering, men det er noe vanskeligere å trekke ut den originale informasjonen fra en FM-bølgeform. Det er noen forskjellige måter å demodulere FM på; på denne siden skal vi diskutere to. En av disse er ganske grei, og den andre er mer sammensatt.

Opprette signalet
Som i Hvordan demodulere en AM Waveform, vil vi bruke LTspice til å utforske FM-demodulering, og igjen må vi først utføre frekvensmodulering slik at vi har noe å demodulere. 

Hvis du ser tilbake på siden om analog frekvensmodulasjon, vil du se at det matematiske forholdet er mindre grei enn for amplitudemodulasjonen. 

Med AM la vi ganske enkelt til en forskyvning og utførte deretter vanlig multiplikasjon. Med FM må vi legge kontinuerlig varierende verdier til mengden i en sinus (eller kosinus) -funksjon, og dessuten er disse kontinuerlig varierende verdiene ikke basisbåndssignalet, men snarere integralen i basisbåndsignalet.

Følgelig kan vi ikke generere en FM-bølgeform ved hjelp av en vilkårlig atferdsspenningskilde og et enkelt matematisk forhold, slik vi gjorde med AM. Det viser seg imidlertid at det faktisk er lettere å generere et FM-signal. Vi bruker ganske enkelt SFFM-alternativet for en normal spenningskilde:

Følgende “krets” er alt vi trenger for å lage en FM-bølgeform bestående av en 10 MHz bærer og et 1 MHz sinusformet basebandsignal:




Merk at modulasjonsindeksen er fem; en høyere modulasjonsindeks gjør det lettere å se frekvensvariasjonene. Følgende plott viser bølgeformen som er opprettet av SFFM-spenningskilden.

Demodulering: High-Pass-filteret
Den første demoduleringsteknikken som vi skal se på begynner med et høytpassfilter. Vi antar at vi har å gjøre med smalbånd FM. Vi må utforme høypassfilteret slik at dempningen vil variere betydelig innenfor et frekvensbånd hvis bredde er dobbelt så stor båndbredde for basebåndssignalet. La oss utforske dette konseptet grundigere.

Det mottatte FM-signalet vil ha et spekter som er sentrert rundt transportfrekvensen. Bredden av spekteret er tilnærmet lik dobbelt så stor båndbredde for basebåndssignalet; faktoren til to er resultatet av skifting av positive og negative basebandfrekvenser, og den er "tilnærmet" lik fordi integrasjonen som brukes på basisbåndssignalet kan påvirke formen til det modulerte spekteret. 

Dermed er den laveste frekvensen i det modulerte signalet omtrent lik bærerfrekvensen minus den høyeste frekvensen i basisbåndssignalet, og den høyeste frekvensen i det modulerte signalet er tilnærmet lik bærerfrekvensen pluss den høyeste frekvensen i basisbåndssignalet.

Høypassfilteret vårt må ha en frekvensrespons som gjør at den laveste frekvensen i det modulerte signalet dempes betydelig mer enn den høyeste frekvensen i det modulerte signalet. Hvis vi bruker dette filteret på en FM-bølgeform, hva blir resultatet? Det vil være noe som dette:

Dette plottet viser både den opprinnelige FM-bølgeformen og den høypassfiltrerte bølgeformen, for sammenligning. Neste plot viser bare den filtrerte bølgeformen, slik at du kan se den tydeligere.

Ved å bruke filteret har vi gjort frekvensmodulering til amplitude-modulasjon. Dette er en praktisk tilnærming til FM-demodulering, fordi den lar oss dra nytte av konvolutt-detektor-kretsløp som er utviklet for bruk med amplitude-modulering. Filteret som ble brukt til å produsere denne bølgeformen, var ikke annet enn en RC-høypass med en avskjæringsfrekvens tilnærmet lik bærerfrekvensen.

Amplitude -støy

Enkelheten med dette demoduleringsskjemaet får oss naturlig nok til å tenke at det ikke er alternativet med høyeste ytelse, og faktisk har denne tilnærmingen en stor svakhet: Den er følsom for amplitudevariasjoner. 

Det sendte signalet vil ha en konstant konvolutt fordi frekvensmodulering ikke innebærer endringer i amplituden til bæreren, men det mottatte signalet vil ikke ha en konstant konvolutt fordi amplituden uunngåelig blir påvirket av feilkilder.

Følgelig kan vi ikke utforme en akseptabel FM-demodulator bare ved å legge til et høytpassfilter til en AM-demodulator. Vi trenger også en begrenser, som er en krets som reduserer amplitudevariasjoner ved å begrense det mottatte signalet til en viss amplitude. 

Eksistensen av dette enkle og effektive middelet mot amplitudevariasjoner gjør det mulig for FM å opprettholde sin større (sammenlignet med AM) robusthet mot amplitudestøy: Vi kan ikke bruke en begrenser med AM-signaler fordi begrensning av amplituden ødelegger informasjonen som er kodet i bæreren. FM koder derimot all informasjonen i de tidsmessige egenskapene til det sendte signalet.

Demodulering: Faselåst sløyfe
En faselåst loop (PLL) kan brukes til å lage en kompleks, men høyytelseskrets for FM-demodulering. En PLL kan “låse seg fast” på frekvensen til en innkommende bølgeform. Det gjør dette ved å kombinere en fasesektor, et lavpassfilter (også kjent som "loopfilter") og en spenningsstyrt oscillator (VCO) til et negativt tilbakemeldingssystem, som følger:

Etter at PLL har låst seg, kan den opprette en utgangs-sinus som følger frekvensvariasjoner i den innkommende sinus. Denne utgangsbølgeformen vil bli hentet fra utgangen til VCO. 

I en FM-demodulatorapplikasjon trenger vi imidlertid ikke en sinusoid som har samme frekvens som inngangssignalet. I stedet bruker vi output fra loopfilteret som et demodulert signal. La oss se på hvorfor dette er mulig.

Fasedetektoren produserer et signal som er proporsjonalt med faseforskjellen mellom den innkommende bølgeformen og utgangen til VCO. Løkkefilteret jevner ut dette signalet, som deretter blir styresignalet for VCO. 

Så hvis frekvensen til det innkommende signalet stadig øker og synker, må VCO-styresignalet øke og reduseres tilsvarende for å sikre at VCO-utgangsfrekvensen forblir lik inngangsfrekvensen. Med andre ord er utgangen fra løkkefilteret et signal hvis amplitudevariasjoner tilsvarer inngangsfrekvensvariasjonene. Slik oppnår en PLL frekvensdemodulering.

Oppsummering

* I LTspice kan en frekvensmodulert sinusoid genereres ved å bruke SFFM-alternativet for standard spenningskilder.

* En enkel og effektiv FM-demoduleringsteknikk innebærer et høyt passfilter (for FM-til-AM-konvertering) etterfulgt av en AM-demodulator.

* En høypass-filterbasert FM-demodulator er forutgående av en begrenser for å forhindre at amplitudevariasjoner bidrar med feil til det demodulerte signalet.

* En faselåst sløyfe kan brukes til å oppnå høy ytelse FM-demodulering. Bruken av PLL-er med integrert krets gjør denne tilnærmingen mindre komplisert enn det kan virke.

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste