Impara a conoscere due circuiti che possono estrarre l’informazione originale da un segnale portante modulato in ampiezza.

A questo punto sappiamo che la modulazione si riferisce a modificare intenzionalmente una sinusoide in modo che possa portare informazioni a bassa frequenza da un trasmettitore a un ricevitore. Abbiamo anche coperto molti dettagli relativi ai diversi metodi – ampiezza, frequenza, fase, analogico, digitale – per codificare le informazioni in un’onda portante.

Ma non c’è motivo di integrare dati in un segnale trasmesso se non possiamo estrarre quei dati dal segnale ricevuto, e questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di studiare la demodulazione. I circuiti di demodulazione vanno da qualcosa di semplice come un rivelatore di picco modificato a qualcosa di complesso come la downconversion in quadratura coerente combinata con sofisticati algoritmi di decodifica eseguiti da un processore di segnali digitali.

Creazione del segnale

Useremo LTspice per studiare le tecniche per demodulare una forma d’onda AM. Ma prima di demodulare abbiamo bisogno di qualcosa che sia modulato.

Nella pagina sulla modulazione AM, abbiamo visto che sono necessarie quattro cose per generare una forma d’onda AM. Per prima cosa, abbiamo bisogno di una forma d’onda a banda base e di una forma d’onda portante. Poi abbiamo bisogno di un circuito che possa aggiungere un appropriato offset DC al segnale in banda base. E infine, abbiamo bisogno di un moltiplicatore, poiché la relazione matematica corrispondente alla modulazione di ampiezza è la moltiplicazione del segnale di banda base spostato per la portante.

Il seguente circuito LTspice genererà una forma d’onda AM.

• V1 è una sorgente di tensione sinusoidale da 1 MHz che fornisce il segnale di banda base originale.
• V3 produce una sinusoide da 100 MHz per la portante.
• Il circuito op-amp è un traslatore di livello (riduce anche l’ampiezza di ingresso della metà). Il segnale proveniente da V1 è una sinusoide che oscilla da -1 V a +1 V, e l’uscita dell’op-amp è una sinusoide che oscilla da 0 V a +1 V.
• B1 è una “fonte di tensione comportamentale arbitraria”. Il suo campo “valore” è una formula piuttosto che una costante; in questo caso la formula è il segnale a banda base spostata moltiplicato per la forma d’onda portante. In questo modo B1 può essere usato per eseguire la modulazione di ampiezza.

Ecco il segnale in banda base spostato:

E qui si può vedere come le variazioni AM corrispondono al segnale in banda base (cioè, la traccia arancione che è per lo più oscurata dalla forma d’onda blu):

Lo zoom rivela i singoli cicli della frequenza portante di 100 MHz.

Demodulazione

Come discusso nella pagina sulla modulazione AM, l’operazione di moltiplicazione usata per eseguire la modulazione d’ampiezza ha l’effetto di trasferire lo spettro della banda base in una banda che circonda la frequenza portante positiva (+fC) e quella negativa (-fC). Quindi, possiamo pensare alla modulazione di ampiezza come allo spostamento dello spettro originale verso l’alto di fC e verso il basso di fC. Ne consegue, quindi, che moltiplicando il segnale modulato per la frequenza della portante, lo spettro tornerà alla sua posizione originale – cioè, sposterà lo spettro verso il basso di fC in modo che sia di nuovo centrato intorno a 0 Hz.

Opzione 1: Moltiplicazione e filtraggio

Il seguente schema LTspice include una sorgente di tensione a comportamento arbitrario demodulante; B2 moltiplica il segnale AM per la portante.

Ed ecco il risultato:

Questo decisamente non sembra corretto. Se ingrandiamo, vediamo quanto segue:

E questo rivela il problema. Dopo la modulazione di ampiezza, lo spettro della banda base è centrato intorno a +fC. Moltiplicando la forma d’onda AM per la portante si sposta lo spettro in banda base verso il basso a 0 Hz, ma lo sposta anche verso l’alto a 2fC (in questo caso 200 MHz), perché (come detto sopra) la moltiplicazione sposta lo spettro esistente verso l’alto di fC e verso il basso di fC.

È chiaro, quindi, che la sola moltiplicazione non è sufficiente per una corretta demodulazione. Ciò di cui abbiamo bisogno è la moltiplicazione e un filtro passa-basso; il filtro sopprime lo spettro che è stato spostato in alto di 2fC. Il seguente schema include un filtro passa-basso RC con una frequenza di taglio di ~1.5 MHz.

Ed ecco il segnale demodulato:

Questa tecnica è in realtà più complicata di quanto sembri perché la fase della forma d’onda a frequenza portante del ricevitore deve essere sincronizzata con la fase della portante del trasmettitore. Questo è discusso ulteriormente a pagina 5 di questo capitolo (Capire la demodulazione in quadratura).

Opzione 2: Rivelatore di picco

Come puoi vedere sopra nel grafico che mostra la forma d’onda AM (in blu) e la forma d’onda in banda base spostata (in arancione), la parte positiva dell'”inviluppo” AM corrisponde al segnale in banda base. Il termine “inviluppo” si riferisce alle variazioni della portante in ampiezza sinusoidale (in opposizione alle variazioni del valore istantaneo della forma d’onda stessa). Se potessimo in qualche modo estrarre la parte positiva dell’inviluppo AM, potremmo riprodurre il segnale in banda base senza usare un moltiplicatore.

Si scopre che è abbastanza facile convertire l’inviluppo positivo in un segnale normale. Iniziamo con un rilevatore di picchi, che è solo un diodo seguito da un condensatore. Il diodo conduce quando il segnale d’ingresso è almeno ~0,7 V sopra la tensione sul condensatore, e altrimenti si comporta come un circuito aperto. Così, il condensatore mantiene la tensione di picco: se la tensione di ingresso attuale è inferiore alla tensione del condensatore, la tensione del condensatore non diminuisce perché il diodo con polarizzazione inversa impedisce la scarica.

Tuttavia, non vogliamo un rilevatore di picco che mantenga la tensione di picco per un lungo periodo di tempo. Invece, vogliamo un circuito che trattenga il picco rispetto alle variazioni di alta frequenza della forma d’onda portante, ma non trattenga il picco rispetto alle variazioni di bassa frequenza dell’inviluppo. In altre parole, vogliamo un rilevatore di picco che trattenga il picco solo per un breve periodo di tempo. Otteniamo questo aggiungendo una resistenza in parallelo che permette al condensatore di scaricarsi. (Questo tipo di circuito è chiamato “rilevatore di picco a perdita”, dove “a perdita” si riferisce al percorso di scarica fornito dalla resistenza). La resistenza è scelta in modo che la scarica sia abbastanza lenta da smussare la frequenza della portante e abbastanza veloce da non smussare la frequenza dell’inviluppo.

Ecco un esempio di rilevatore di picco a perdita per la demodulazione AM:

Nota che ho amplificato il segnale AM di un fattore cinque in modo da rendere il segnale di ingresso del rilevatore di picco più grande rispetto alla tensione diretta del diodo. Il seguente grafico trasmette il risultato generale che stiamo cercando di ottenere con il rilevatore di picchi che perde.

Il segnale finale mostra la caratteristica di carica/scarica prevista:

Si potrebbe usare un filtro passa basso per smussare queste variazioni.