Как демодулировать форму волны AM

Радиочастотная демодуляция
Узнайте о двух схемах, которые могут извлечь исходную информацию из амплитудно-модулированного несущего сигнала.

На данный момент мы знаем, что модуляция относится к преднамеренному изменению синусоиды таким образом, чтобы она могла передавать низкочастотную информацию от передатчика к приемнику. Мы также рассмотрели много деталей, связанных с различными методами - амплитудным, частотным, фазовым, аналоговым, цифровым - кодирования информации в несущей волне.

Но нет никакой причины интегрировать данные в передаваемый сигнал, если мы не можем извлечь эти данные из принятого сигнала, и поэтому нам необходимо изучить демодуляцию. 

Схема демодуляции варьируется от чего-то столь же простого, как модифицированный пиковый детектор, до чего-то столь же сложного, как когерентное квадратурное преобразование с понижением частоты в сочетании со сложными алгоритмами декодирования, выполняемыми процессором цифрового сигнала.

Создание сигнала
Мы будем использовать LTspice для изучения методов демодуляции формы волны AM. Но прежде чем демодулировать, нам нужно что-то модулированное.

На странице AM-модуляции мы увидели, что для генерации AM-сигнала необходимы четыре вещи. Во-первых, нам нужен сигнал основной полосы частот и сигнал несущей. Затем нам нужна схема, которая может добавить соответствующее смещение постоянного тока к сигналу основной полосы частот. 

И, наконец, нам нужен умножитель, поскольку математическое соотношение, соответствующее амплитудной модуляции, умножает сдвинутый сигнал основной полосы частот на несущую.

Следующая схема LTspice будет генерировать сигнал AM.

* V1 - источник синусоидального напряжения 1 МГц, который обеспечивает исходный сигнал основной полосы частот.

* V3 производит синусоидальный сигнал 100 МГц для несущей.

* Схема операционного усилителя - сдвиг уровня (он также уменьшает входную амплитуду вдвое). Сигнал, поступающий от V1, представляет собой синусоидальный сигнал, который колеблется от –1 В до +1 В, а выходной сигнал операционного усилителя представляет собой синусоидальный сигнал, который колеблется от 0 В до +1 В.

* B1 является «произвольным поведенческим источником напряжения». Его поле «значение» является формулой, а не константой; в этом случае формула представляет собой сдвинутый сигнал основной полосы частот, умноженный на сигнал несущей. Таким образом, B1 может использоваться для выполнения амплитудной модуляции.

Вот сдвинутый сигнал основной полосы:

И здесь вы можете видеть, как вариации АМ соответствуют сигналу основной полосы (т. Е. Оранжевой кривой, которая в основном скрыта синей волной):

демодуляция

Как обсуждалось на странице AM-модуляции, операция умножения, используемая для выполнения амплитудной модуляции, имеет эффект передачи спектра основной полосы частот в полосу, окружающую положительную несущую частоту (+ fC) и отрицательную несущую частоту (-fC). 

Таким образом, мы можем думать об амплитудной модуляции как о смещении исходного спектра вверх на fC и вниз на fC. Из этого следует, что умножение модулированного сигнала на частоту несущей вернет спектр обратно в его исходное положение, т. Е. Он сместит спектр вниз на fC, так что он снова будет центрирован вокруг 0 ​​Гц.

Вариант 1: Умножение и фильтрация
Следующая схема LTspice включает демодулирующий произвольный источник поведенческого напряжения; B2 умножает сигнал AM на несущую.

 

И вот результат:

Это определенно не выглядит правильно. Если мы увеличим масштаб, то увидим следующее:

И это раскрывает проблему. После амплитудной модуляции спектр основной полосы сосредоточен вокруг + fC. Умножение формы волны AM на несущую сдвигает спектр основной полосы частот до 0 Гц, но также сдвигает его до 2fC (в данном случае 200 МГц), потому что (как указано выше) умножение перемещает существующий спектр вверх на fC и вниз на fC ,

Таким образом, ясно, что одного умножения недостаточно для правильной демодуляции. Нам нужно умножение и фильтр нижних частот; фильтр подавляет спектр, который был сдвинут до 2fC. Следующая схема включает RC-фильтр нижних частот с частотой среза ~ 1.5 МГц.

А вот и демодулированный сигнал:

Этот метод на самом деле более сложный, чем кажется, потому что фаза формы сигнала несущей частоты приемника должна быть синхронизирована с фазой несущей передатчика. Это обсуждается далее на странице 5 этой главы (Понимание квадратурной демодуляции).

Вариант 2: пиковый детектор

Как вы можете видеть выше на графике, который показывает форму волны AM (синим цветом) и смещенную форму волны основной полосы (оранжевым цветом), положительная часть «огибающей» AM соответствует сигналу основной полосы частот. 

Термин «огибающая» относится к вариациям несущей синусоидальной амплитуды (в отличие от вариаций мгновенного значения самой формы волны). Если бы мы могли как-то извлечь положительную часть огибающей AM, мы могли бы воспроизвести сигнал основной полосы частот без использования умножителя.

Оказывается, довольно просто конвертировать положительную огибающую в нормальный сигнал. Мы начнем с пикового детектора, который представляет собой просто диод, за которым следует конденсатор. 

Диод проводит, когда входной сигнал по меньшей мере на ~ 0.7 В выше напряжения на конденсаторе, а в остальном он действует как разомкнутая цепь. Таким образом, конденсатор поддерживает пиковое напряжение: если текущее входное напряжение ниже, чем напряжение конденсатора, напряжение на конденсаторе не уменьшается, поскольку диод с обратным смещением предотвращает разряд.

Однако нам не нужен пиковый детектор, который будет сохранять пиковое напряжение в течение длительного периода времени. Вместо этого мы хотим схему, которая сохраняет пик относительно высокочастотных колебаний формы несущей, но не сохраняет пик относительно низкочастотных изменений огибающей. Другими словами, нам нужен детектор пиков, который удерживает пик только в течение короткого периода времени. 

Мы достигаем этого, добавляя параллельное сопротивление, которое позволяет конденсатору разряжаться. (Этот тип схемы называется «детектор пика утечки», где «утечка» относится к пути разряда, обеспечиваемого резистором.) Сопротивление выбрано таким, чтобы разряд был достаточно медленным для сглаживания несущей частоты и достаточно быстрым для не сглаживать частоту огибающей.

Вот пример детектора пиков утечки для демодуляции AM:

Обратите внимание, что я усилил сигнал AM в пять раз, чтобы увеличить входной сигнал пикового детектора по сравнению с прямым напряжением диода. На следующем графике представлен общий результат, которого мы пытаемся достичь с помощью детектора пиков утечки.

Последний сигнал показывает ожидаемую характеристику заряда / разряда:




Фильтр нижних частот можно использовать для сглаживания этих изменений.

Обзор

* В LTspice, произвольный источник поведенческого напряжения может использоваться для создания формы волны AM.

* AM-сигналы могут быть демодулированы с использованием множителя, за которым следует фильтр нижних частот.

* Более простой (и более дешевый) подход состоит в том, чтобы использовать детектор пиков утечки, то есть детектор пиков с параллельным сопротивлением, который позволяет конденсатору разряжаться с соответствующей скоростью.

Оставить сообщение 

Список сообщений