Opi kahdesta piiristä, jotka voivat poimia alkuperäisen informaation amplitudimoduloidusta kantoaaltosignaalista.

Tässä vaiheessa tiedämme, että modulaatiolla viitataan siihen, että sinimuotoista signaalia muokataan tarkoituksellisesti siten, että se voi kuljettaa matalamman taajuuden informaatiota lähettimestä vastaanottimeen. Olemme myös käsitelleet monia yksityiskohtia, jotka liittyvät eri menetelmiin – amplitudi, taajuus, vaihe, analoginen, digitaalinen – tiedon koodaamiseksi kantoaaltoon.

Mutta ei ole mitään syytä integroida tietoa lähetettyyn signaaliin, jos emme voi poimia tätä tietoa vastaanotetusta signaalista, ja siksi meidän on tutkittava demodulaatiota. Demodulaatiopiirit vaihtelevat niinkin yksinkertaisesta kuin modifioidusta huippuilmaisimesta niinkin monimutkaiseen kuin koherentti kvadratuurinen downconversion yhdistettynä digitaalisen signaaliprosessorin suorittamiin kehittyneisiin dekoodausalgoritmeihin.

Signaalin luominen

Käytämme LTspicea tutkiaksemme tekniikoita AM-aaltomuodon demodulointiin. Mutta ennen kuin demoduloimme, tarvitsemme jotain, joka on moduloitu.

AM-modulaatio-sivulla näimme, että AM-aaltomuodon luomiseen tarvitaan neljä asiaa. Ensinnäkin tarvitsemme peruskaista-aaltomuodon ja kantoaaltomuodon. Sitten tarvitsemme piirin, joka voi lisätä sopivan DC-offsetin peruskaistasignaaliin. Ja lopuksi tarvitsemme kertojan, koska amplitudimodulaatiota vastaava matemaattinen suhde on siirtyneen peruskaistasignaalin kertominen kantoaaltosignaalilla.

Seuraava LTspice-piiri tuottaa AM-aaltomuodon.

• V1 on 1 MHz:n siniaaltojännitelähde, joka tuottaa alkuperäisen peruskaistasignaalin.
• V3 tuottaa 100 MHz:n siniaallon kantoaaltoa varten.
• Op-vahvistinpiiri on tasonsiirrin (se myös pienentää tulon amplitudin puoleen). V1:stä tuleva signaali on siniaalto, joka vaihtelee -1 V:sta +1 V:iin, ja op-vahvistimen ulostulo on siniaalto, joka vaihtelee 0 V:sta +1 V:iin.
• B1 on ”mielivaltaisesti käyttäytyvä jännitelähde”. Sen ”arvo”-kenttä on kaava eikä vakio; tässä tapauksessa kaava on siirretty peruskaistasignaali kerrottuna kantoaaltomuodolla. Näin B1:tä voidaan käyttää amplitudimodulaation suorittamiseen.

Tässä on siirretty peruskaistasignaali:

Ja tässä näet, miten AM-vaihtelut vastaavat peruskaistasignaalia (ts, oranssi jälki, joka on suurimmaksi osaksi sinisen aaltomuodon peittämä):

Suurentaminen paljastaa 100 MHz:n kantoaaltotaajuuden yksittäiset syklit.

Demodulaatio

Kuten AM-modulaatio-sivulla käsiteltiin, amplitudimodulaation suorittamiseen käytetyllä kerrannaisoperaatiolla on se vaikutus, että peruskaistaspektri siirretään positiivista kantoaaltotaajuutta (+fC) ja negatiivista kantoaaltotaajuutta (-fC) ympäröivälle kaistalle. Näin ollen amplitudimodulaation voidaan ajatella siirtävän alkuperäistä spektriä ylöspäin fC:llä ja alaspäin fC:llä. Tästä seuraa, että moduloidun signaalin kertominen kantoaaltotaajuudella siirtää spektrin takaisin alkuperäiseen asentoonsa – ts, se siirtää spektriä alaspäin fC:llä siten, että se on jälleen keskitetty 0 Hz:n ympärille.

Vaihtoehto 1: Kertolasku ja suodatus

Seuraava LTspice-kaavio sisältää demoduloivan mielivaltaisen käyttäytymisjännitelähteen; B2 kertoo AM-signaalin kantoaaltosignaalilla.

Ja tässä on tulos:

Tämä ei todellakaan näytä oikealta. Jos suurennamme, näemme seuraavaa:

Ja tämä paljastaa ongelman. Amplitudimodulaation jälkeen peruskaistaspektri on keskitetty +fC:n ympärille. AM-aaltomuodon kertominen kantoaaltomuodolla siirtää peruskaistaspektriä alaspäin 0 Hz:iin, mutta se siirtää sitä myös ylöspäin 2fC:iin (tässä tapauksessa 200 MHz:iin), koska (kuten edellä todettiin) kertominen siirtää olemassa olevaa spektriä ylöspäin fC:llä ja alaspäin fC:llä.

On siis selvää, että pelkkä kertominen ei riitä asianmukaiseen demodulaatioon. Tarvitsemme kertolaskun ja alipäästösuodattimen; suodatin vaimentaa spektrin, joka siirtyi ylöspäin 2fC:llä. Seuraavassa kaaviossa on RC-alipäästösuodatin, jonka rajataajuus on ~1,5 MHz.

Ja tässä on demoduloitu signaali:

Tämä tekniikka on itse asiassa monimutkaisempi kuin miltä se näyttää, koska vastaanottimen kantoaaltotaajuisen aaltomuodon vaihe on synkronoitava lähettimen kantoaaltotaajuuden vaiheen kanssa. Tätä käsitellään tarkemmin tämän luvun sivulla 5 (Understanding Quadrature Demodulation).

Vaihtoehto 2: Peak Detector

Kuten näet yllä olevasta kuvaajasta, jossa näkyy AM-aaltomuoto (sinisellä) ja siirretty peruskaistan aaltomuoto (oranssilla), AM:n ”kuoren” positiivinen osa vastaa peruskaistasignaalia. Termi ”envelope” viittaa kantoaallon sinimuotoisen amplitudin vaihteluihin (toisin kuin itse aaltomuodon hetkellisen arvon vaihtelut). Jos voisimme jotenkin poimia AM-kuoren positiivisen osan, voisimme toistaa peruskaistasignaalin ilman kertoimen käyttöä.

Kävi ilmi, että positiivinen kuori on melko helppo muuntaa normaaliksi signaaliksi. Aloitamme huippuilmaisimella, joka on vain diodi, jota seuraa kondensaattori. Diodi johtaa, kun tulosignaali on vähintään ~ 0,7 V yli kondensaattorin jännitteen, ja muuten se toimii kuin avoin piiri. Siten kondensaattori säilyttää huippujännitteen: jos nykyinen tulojännite on pienempi kuin kondensaattorin jännite, kondensaattorin jännite ei laske, koska käänteisesti kytketty diodi estää purkautumisen.

Me emme kuitenkaan halua huippuilmaisinta, joka säilyttää huippujännitteen pitkän ajanjakson ajan. Sen sijaan haluamme piirin, joka säilyttää huipun suhteessa kantoaaltomuodon korkeataajuisiin vaihteluihin, mutta ei säilytä huippua suhteessa kuoren matalataajuisiin vaihteluihin. Toisin sanoen haluamme piikinilmaisimen, joka pitää piikin vain lyhyen aikaa. Tämä saavutetaan lisäämällä rinnakkaisvastus, joka sallii kondensaattorin purkautua. (Tämäntyyppistä piiriä kutsutaan ”vuotavaksi huippuilmaisimeksi”, jossa ”vuotava” viittaa vastuksen tarjoamaan purkautumisreittiin). Vastus valitaan siten, että purkautuminen on riittävän hidasta kantoaaltotaajuuden tasoittamiseksi ja riittävän nopeaa, jotta kuoritaajuus ei tasoituisi.

Tässä on esimerkki vuotavasta huippuilmaisimesta AM-demodulaatiota varten:

Huomaa, että olen vahvistanut AM-signaalin viisinkertaiseksi, jotta huippuilmaisimen tulosignaalista tulisi suurempi suhteessa diodin eteenpäinvirtajännitteeseen. Seuraava kuvaaja välittää yleisen tuloksen, johon yritämme päästä vuotohuippuilmaisimella.

Loppusignaalissa näkyy odotettu lataus/purkautumiskäyrä:

Näiden vaihteluiden tasoittamiseen voitaisiin käyttää alipäästösuodatinta.