Как демодулировать сигнал FM

Радиочастотная демодуляция
Узнайте о двух методах восстановления сигнала основной полосы частот с частотно-модулированной несущей.

Частотная модуляция обеспечивает улучшенную производительность по сравнению с амплитудной модуляцией, но несколько сложнее извлечь исходную информацию из FM-сигнала. Есть несколько разных способов демодуляции FM; на этой странице мы обсудим два. Один из них довольно простой, а другой более сложный.

Создание сигнала
Как и в разделе «Как демодулировать форму волны AM», мы будем использовать LTspice для изучения демодуляции FM, и снова нам нужно сначала выполнить частотную модуляцию, чтобы у нас было что демодулировать. 

Если вы оглянетесь на страницу, посвященную аналоговой частотной модуляции, то увидите, что математическое соотношение менее прямое, чем у амплитудной модуляции. 

С помощью AM мы просто добавили смещение, а затем выполнили обычное умножение. При использовании ЧМ нам необходимо добавлять постоянно изменяющиеся значения к величине внутри синусоидальной (или косинусной) функции, и, кроме того, эти непрерывно изменяющиеся значения являются не сигналом основной полосы частот, а интегралом сигнала основной полосы частот.

Следовательно, мы не можем генерировать ЧМ-сигнал с использованием произвольного поведенческого источника напряжения и простых математических отношений, как мы это делали с AM. Оказывается, однако, что на самом деле легче генерировать FM-сигнал. Мы просто используем опцию SFFM для источника нормального напряжения:

Следующая «схема» - это все, что нам нужно для создания FM-сигнала, состоящего из несущей 10 МГц и синусоидального сигнала основной полосы 1 МГц:




Обратите внимание, что индекс модуляции равен пяти; более высокий индекс модуляции облегчает просмотр изменений частоты. На следующем графике показана форма волны, созданная источником напряжения SFFM.

Демодуляция: фильтр высоких частот
Первый метод демодуляции, который мы рассмотрим, начинается с фильтра верхних частот. Предположим, что мы имеем дело с узкополосным FM. Нам необходимо спроектировать фильтр верхних частот таким образом, чтобы ослабление значительно варьировалось в пределах полосы частот, ширина которой в два раза больше ширины полосы сигнала основной полосы. Давайте рассмотрим эту концепцию более тщательно.

Полученный ЧМ-сигнал будет иметь спектр, который сосредоточен вокруг несущей частоты. Ширина спектра приблизительно равна удвоенной ширине полосы сигнала основной полосы частот; коэффициент два является результатом сдвига положительных и отрицательных частот основной полосы частот, и он «приблизительно» равен, поскольку интегрирование, применяемое к сигналу основной полосы частот, может влиять на форму модулированного спектра. 

Таким образом, самая низкая частота в модулированном сигнале приблизительно равна несущей частоте минус самая высокая частота в сигнале основной полосы частот, а самая высокая частота в модулированном сигнале приблизительно равна частоте несущей плюс самая высокая частота в сигнале основной полосы частот.

Наш фильтр верхних частот должен иметь частотную характеристику, которая вызывает ослабление самой низкой частоты в модулированном сигнале значительно больше, чем самая высокая частота в модулированном сигнале. Если мы применим этот фильтр к FM-сигналу, каков будет результат? Это будет что-то вроде этого:

Этот график показывает как исходный сигнал ЧМ, так и сигнал с верхним фильтрованием, для целей сравнения. На следующем графике показана только отфильтрованная форма волны, чтобы вы могли видеть ее более четко.

Применяя фильтр, мы превратили частотную модуляцию в амплитудную модуляцию. Это удобный подход к FM-демодуляции, потому что он позволяет нам использовать схему детектора огибающей, которая была разработана для использования с амплитудной модуляцией. Фильтр, используемый для создания этого сигнала, был не более чем высокочастотным высокочастотным сигналом с частотой среза, приблизительно равной несущей частоте.

Амплитудный шум

Простота этой схемы демодуляции, естественно, заставляет нас думать, что это не самый высокопроизводительный вариант, и на самом деле этот подход имеет существенный недостаток: он чувствителен к изменениям амплитуды. 

Переданный сигнал будет иметь постоянную огибающую, потому что частотная модуляция не включает изменения амплитуды несущей, но принятый сигнал не будет иметь постоянной огибающей, поскольку на амплитуду неизбежно влияют источники ошибок.

Следовательно, мы не можем разработать приемлемый FM-демодулятор, просто добавив фильтр верхних частот к AM-демодулятору. Нам также нужен ограничитель, который является схемой, которая смягчает изменения амплитуды, ограничивая принимаемый сигнал определенной амплитудой. 

Наличие этого простого и эффективного средства защиты от колебаний амплитуды позволяет FM поддерживать свою более высокую (по сравнению с AM) устойчивость к шуму амплитуды: мы не можем использовать ограничитель с AM-сигналами, потому что ограничение амплитуды повреждает информацию, закодированную в несущей. FM, с другой стороны, кодирует всю информацию во временных характеристиках передаваемого сигнала.

Демодуляция: фазовая петля
Контур фазовой синхронизации (ФАПЧ) можно использовать для создания сложной, но высокопроизводительной схемы для демодуляции ЧМ. ФАПЧ может «зафиксировать» частоту входящего сигнала. Это достигается путем объединения фазового детектора, фильтра нижних частот (так называемый «контурный фильтр») и генератора, управляемого напряжением (ГУН), в систему с отрицательной обратной связью следующим образом:

После блокировки ФАПЧ он может создать выходную синусоиду, которая следует за изменениями частоты входящей синусоиды. Эта выходная форма сигнала будет взята с выхода VCO. 

Однако в приложении FM-демодулятора нам не нужна выходная синусоида, которая имеет ту же частоту, что и входной сигнал. Вместо этого мы используем выход из фильтра петли в качестве демодулированного сигнала. Давайте посмотрим, почему это возможно.

Фазовый детектор выдает сигнал, который пропорционален разности фаз между поступающим сигналом и выходом ГУН. Контурный фильтр сглаживает этот сигнал, который затем становится управляющим сигналом для ГУН. 

Таким образом, если частота входящего сигнала постоянно увеличивается и уменьшается, управляющий сигнал VCO должен соответственно увеличиваться и уменьшаться, чтобы выходная частота VCO оставалась равной входной частоте. Другими словами, выходной сигнал контурного фильтра представляет собой сигнал, изменения амплитуды которого соответствуют изменениям входной частоты. Вот как ФАПЧ выполняет частотную демодуляцию.

Обзор

* В LTspice синусоиду с частотной модуляцией можно генерировать, используя опцию SFFM для стандартных источников напряжения.

* Простой и эффективный метод демодуляции ЧМ включает фильтр верхних частот (для преобразования ЧМ в АМ), за которым следует демодулятор АМ.

* FM-демодулятору на основе фильтра верхних частот предшествует ограничитель, предотвращающий внесение изменений амплитуды в ошибку демодулированного сигнала.

* Контур фазовой синхронизации может использоваться для достижения высокопроизводительной демодуляции FM. Использование интегральных схем ФАПЧ делает этот подход менее сложным, чем может показаться.

Оставить сообщение 

Список сообщений