Poznejte dva obvody, které dokáží získat původní informaci z amplitudově modulovaného nosného signálu.

V tuto chvíli víme, že modulace znamená záměrnou úpravu sinusoidy tak, aby mohla přenášet informace o nižších frekvencích z vysílače do přijímače. Probrali jsme také mnoho podrobností týkajících se různých metod – amplitudové, frekvenční, fázové, analogové, digitální – kódování informace v nosné vlně.

Není však důvod integrovat data do vysílaného signálu, pokud tato data nemůžeme získat z přijímaného signálu, a proto musíme studovat demodulaci. Demodulační obvody sahají od něčeho tak jednoduchého, jako je modifikovaný špičkový detektor, až po něco tak složitého, jako je koherentní kvadraturní downkonverze kombinovaná se sofistikovanými dekódovacími algoritmy prováděnými digitálním signálovým procesorem.

Vytvoření signálu

Pomocí programu LTspice budeme studovat techniky demodulace AM vlny. Před demodulací však potřebujeme něco, co je modulováno.

Na stránce o modulaci AM jsme viděli, že k vytvoření AM vlny jsou potřeba čtyři věci. Nejprve potřebujeme průběh základního pásma a nosný průběh. Pak potřebujeme obvod, který dokáže k signálu základního pásma přidat vhodný stejnosměrný offset. A nakonec potřebujeme násobič, protože matematický vztah odpovídající amplitudové modulaci je násobení posunutého signálu základního pásma nosnou.

Následující obvod LTspice vygeneruje AM průběh.

• V1 je zdroj sinusového napětí o frekvenci 1 MHz, který poskytuje původní signál základního pásma.
• V3 vytváří sinusovou vlnu o frekvenci 100 MHz pro nosnou.
• Obvod op-amp je posunovač úrovně (také snižuje vstupní amplitudu na polovinu). Signál přicházející z V1 je sinusovka, která kolísá od -1 V do +1 V, a výstup op-ampu je sinusovka, která kolísá od 0 V do +1 V.
• B1 je „zdroj napětí s libovolným chováním“. Jeho pole „hodnota“ je spíše vzorec než konstanta; v tomto případě je vzorcem posunutý signál základního pásma vynásobený nosnou vlnou. Tímto způsobem lze B1 použít k provedení amplitudové modulace.

Tady je posunutý signál základního pásma:

A zde je vidět, jak variace AM odpovídají signálu základního pásma (tj, oranžová stopa, která je z větší části zakryta modrým průběhem):

Zvětšení odhalí jednotlivé cykly nosné frekvence 100 MHz.

Demodulace

Jak bylo uvedeno na stránce o modulaci AM, operace násobení používaná k provedení amplitudové modulace má za následek přenesení spektra základního pásma do pásma obklopujícího kladnou nosnou frekvenci (+fC) a zápornou nosnou frekvenci (-fC). Amplitudovou modulaci si tedy můžeme představit jako posun původního spektra nahoru o fC a dolů o fC. Z toho vyplývá, že vynásobení modulovaného signálu nosnou frekvencí přenese spektrum zpět do původní polohy – tj, posune spektrum směrem dolů o fC tak, že bude opět soustředěno kolem 0 Hz.

Varianta 1: násobení a filtrování

Následující schéma LTspice obsahuje demodulační zdroj napětí s libovolným chováním; B2 násobí AM signál nosnou.

A zde je výsledek:

Toto rozhodně nevypadá správně. Pokud si obrázek přiblížíme, vidíme následující:

A to odhaluje problém. Po amplitudové modulaci je spektrum základního pásma soustředěno kolem +fC. Násobení AM vlny nosnou posune spektrum základního pásma dolů na 0 Hz, ale také ho posune nahoru na 2fC (v tomto případě 200 MHz), protože (jak bylo uvedeno výše) násobení posune stávající spektrum nahoru o fC a dolů o fC.

Je tedy jasné, že samotné násobení nestačí ke správné demodulaci. Potřebujeme násobení a dolnopropustný filtr; filtr potlačí spektrum, které bylo posunuto nahoru o 2fC. Následující schéma obsahuje RC dolnopropustný filtr s mezním kmitočtem ~1,5 MHz.

A zde je demodulovaný signál:

Tato technika je ve skutečnosti složitější, než se zdá, protože fáze průběhu nosné frekvence přijímače musí být synchronizována s fází nosné frekvence vysílače. To je blíže popsáno na straně 5 této kapitoly (Pochopení kvadraturní demodulace).

Možnost 2: Detektor špiček

Jak vidíte výše na grafu, který zobrazuje průběh AM (modře) a posunutý průběh základního pásma (oranžově), kladná část „obálky“ AM odpovídá signálu základního pásma. Termín „obálka“ označuje změny sinusové amplitudy nosné (na rozdíl od změn okamžité hodnoty samotného tvaru vlny). Pokud bychom nějakým způsobem získali kladnou část obálky AM, mohli bychom reprodukovat signál základního pásma bez použití násobiče.

Ukázalo se, že je poměrně snadné převést kladnou obálku na normální signál. Začneme s detektorem špiček, což je jen dioda následovaná kondenzátorem. Dioda vede, když je vstupní signál alespoň ~0,7 V nad napětím na kondenzátoru, a jinak se chová jako otevřený obvod. Kondenzátor tedy udržuje špičkové napětí: pokud je aktuální vstupní napětí nižší než napětí na kondenzátoru, napětí na kondenzátoru neklesá, protože dioda se zpětnou vazbou brání vybití.

Nechceme však špičkový detektor, který by udržel špičkové napětí po dlouhou dobu. Místo toho chceme obvod, který zachová špičku vzhledem k vysokofrekvenčním změnám nosného průběhu, ale nezachová špičku vzhledem k nízkofrekvenčním změnám obálky. Jinými slovy, chceme špičkový detektor, který udrží špičku pouze po krátkou dobu. Toho dosáhneme přidáním paralelního odporu, který umožní vybíjení kondenzátoru. (Tento typ obvodu se nazývá „netěsný detektor špiček“, kde „netěsný“ odkazuje na vybíjecí cestu, kterou zajišťuje odpor.) Odpor se volí tak, aby vybíjení bylo dostatečně pomalé, aby vyhladilo nosnou frekvenci, a dostatečně rychlé, aby nevyhladilo obálkovou frekvenci.

Uveďme si příklad děravého detektoru špiček pro demodulaci AM:

Všimněte si, že jsem zesílil signál AM pětinásobně, aby byl vstupní signál detektoru špiček větší vzhledem k dopřednému napětí diody. Následující graf vyjadřuje obecný výsledek, kterého se snažíme dosáhnout pomocí děravého špičkového detektoru.

Koncový signál vykazuje očekávanou charakteristiku náboje/vybití:

K vyhlazení těchto výkyvů by bylo možné použít dolnopropustný filtr.