Megtanulunk két olyan áramkört, amelyek képesek az eredeti információt kivonni egy amplitúdómodulált vivőjelből.

Ebben a pontban tudjuk, hogy a moduláció egy szinuszhullám szándékos módosítására utal, hogy az alacsonyabb frekvenciájú információt tudjon továbbítani az adóból a vevőhöz. A különböző módszerekkel – amplitúdó, frekvencia, fázis, analóg, digitális – kapcsolatos számos részletet is érintettünk, amelyekkel az információt a vivőhullámba kódolhatjuk.

De nincs értelme adatot integrálni az átvitt jelbe, ha ezt az adatot nem tudjuk kinyerni a fogadott jelből, és ezért kell tanulmányoznunk a demodulációt. A demodulációs áramkörök az olyan egyszerűtől kezdve, mint egy módosított csúcsdetektor, egészen a digitális jelfeldolgozó processzor által végrehajtott kifinomult dekódoló algoritmusokkal kombinált koherens kvadratúra lefelé konverzióig terjednek.

A jel létrehozása

Az LTspice segítségével fogjuk tanulmányozni az AM hullámforma demodulálásának technikáit. De mielőtt demodulálnánk, szükségünk van valamire, amit modulálunk.

Az AM moduláció oldalon láttuk, hogy négy dologra van szükség egy AM hullámforma létrehozásához. Először is szükségünk van egy alapsávú hullámformára és egy vivőhullámformára. Ezután szükségünk van egy olyan áramkörre, amely az alapsávú jelhez megfelelő egyenáramú eltolást tud hozzáadni. Végül pedig szükségünk van egy szorzóra, mivel az amplitúdómodulációnak megfelelő matematikai összefüggés az eltolt alapsávjelnek a vivővel való szorzása.

A következő LTspice áramkör egy AM hullámformát hoz létre.

• V1 egy 1 MHz-es szinuszos feszültségforrás, amely az eredeti alapsávjelet szolgáltatja.
• V3 egy 100 MHz-es szinuszos hullámot állít elő a vivő számára.
• Az op-amp áramkör egy szintváltó (a bemeneti amplitúdót is felére csökkenti). A V1-ről érkező jel egy szinuszhullám, amely -1 V és +1 V között ingadozik, és az op-amp kimenete egy szinuszhullám, amely 0 V és +1 V között ingadozik.
• B1 egy “tetszőleges viselkedésű feszültségforrás”. Az “érték” mezője inkább egy képlet, mint egy konstans; ebben az esetben a képlet az eltolt alapsávjel és a vivő hullámforma szorzata. Ily módon B1 amplitúdómodulációra használható.

Itt az eltolt alapsávjel:

És itt látható, hogy az AM-változások hogyan felelnek meg az alapsávjelnek (ill, a narancssárga nyomvonal, amelyet a kék hullámforma nagyrészt eltakar):

Nagyítva láthatóvá válnak a 100 MHz-es vivőfrekvencia egyes ciklusai.

Demoduláció

Amint azt az AM-moduláció oldalon tárgyaltuk, az amplitúdómoduláció végrehajtásához használt szorzási művelet hatására az alapsáv spektruma a pozitív vivőfrekvenciát (+fC) és a negatív vivőfrekvenciát (-fC) körülvevő sávba kerül. Így az amplitúdómodulációra úgy gondolhatunk, mint az eredeti spektrum fC-vel felfelé és fC-vel lefelé történő eltolására. Ebből következik, hogy a modulált jelnek a vivőfrekvenciával való megszorzása visszaviszi a spektrumot az eredeti helyzetébe – azaz, a spektrumot fC-vel lefelé tolja el úgy, hogy ismét 0 Hz körül legyen a középpontja.

1. lehetőség: Szorzás és szűrés

A következő LTspice-séma egy demoduláló tetszőleges viselkedésű feszültségforrást tartalmaz; B2 megszorozza az AM jelet a vivővel.

És íme az eredmény:

Ez határozottan nem tűnik helyesnek. Ha ráközelítünk, a következőt látjuk:

És ez elárulja a problémát. Az amplitúdó moduláció után az alapsáv spektruma +fC körül van központosítva. Az AM hullámforma vivővel való szorzása az alapsáv spektrumát lefelé tolja 0 Hz-re, de egyben felfelé is tolja 2fC-re (ebben az esetben 200 MHz-re), mert (mint fentebb említettük) a szorzás a meglévő spektrumot fC-vel felfelé és fC-vel lefelé tolja.

Az tehát világos, hogy a szorzás önmagában nem elegendő a megfelelő demodulációhoz. Amire szükségünk van, az a szorzás és egy aluláteresztő szűrő; a szűrő elnyomja a 2fC-vel felfelé eltolt spektrumot. A következő séma egy RC aluláteresztő szűrőt tartalmaz, amelynek a határfrekvenciája ~1,5 MHz.

És itt van a demodulált jel:

Ez a technika valójában bonyolultabb, mint amilyennek látszik, mert a vevő vivőfrekvenciás hullámformájának fázisát szinkronizálni kell az adó vivőjének fázisával. Ezt a fejezet 5. oldalán (A kvadraturális demoduláció megértése) tárgyalja bővebben.

2. lehetőség: Csúcsdetektor

Amint a fenti ábrán, amely az AM hullámformát (kékkel) és az eltolt alapsávú hullámformát (narancssárgával) mutatja, látható, az AM “burkológörbe” pozitív része megegyezik az alapsávú jellel. A “burkológörbe” kifejezés a vivő szinuszos amplitúdójának változásaira utal (szemben magának a hullámforma pillanatnyi értékének változásaival). Ha valahogyan ki tudnánk vonni az AM burkológörbe pozitív részét, akkor sokszorozó használata nélkül is reprodukálhatnánk az alapsávú jelet.

Kiderült, hogy a pozitív burkológörbét elég könnyű normál jellé alakítani. Egy csúcsdetektorral kezdünk, ami nem más, mint egy dióda, amelyet egy kondenzátor követ. A dióda akkor vezet, ha a bemeneti jel legalább ~ 0,7 V a kondenzátoron lévő feszültség felett van, egyébként pedig nyitott áramkörként viselkedik. Így a kondenzátor fenntartja a csúcsfeszültséget: ha az aktuális bemeneti feszültség alacsonyabb, mint a kondenzátor feszültsége, a kondenzátor feszültsége nem csökken, mert a fordított előfeszítésű dióda megakadályozza a kisülést.

Nem akarunk azonban olyan csúcsérzékelőt, amely hosszú ideig megtartja a csúcsfeszültséget. Ehelyett olyan áramkört akarunk, amely megtartja a csúcsot a vivő hullámforma magas frekvenciájú változásaihoz képest, de nem tartja meg a csúcsot a burkológörbe alacsonyabb frekvenciájú változásaihoz képest. Más szóval, olyan csúcsérzékelőt akarunk, amely csak rövid ideig tartja a csúcsot. Ezt úgy érjük el, hogy párhuzamos ellenállást adunk hozzá, amely lehetővé teszi a kondenzátor kisülését. (Az ilyen típusú áramkört “szivárgó csúcsdetektornak” nevezik, ahol a “szivárgás” az ellenállás által biztosított kisülési útvonalra utal). Az ellenállást úgy választjuk meg, hogy a kisülés elég lassú legyen ahhoz, hogy a vivőfrekvenciát kisimítsa, és elég gyors ahhoz, hogy a burkológörbe frekvenciáját ne simítsa ki.

Itt egy példa egy szivárgó csúcsdetektorra AM demodulációhoz:

Megjegyzem, hogy az AM jelet ötszörösére erősítettem, hogy a csúcsdetektor bemeneti jele nagyobb legyen a dióda előfeszültségéhez képest. Az alábbi diagram azt az általános eredményt közvetíti, amelyet a szivárgó csúcsdetektorral próbálunk elérni.

A végső jel a várt töltés/kisülés karakterisztikát mutatja:

Ezek az eltérések kisimítására aluláteresztő szűrővel lehet használni.