Leer over twee schakelingen die de oorspronkelijke informatie kunnen extraheren uit een amplitude-gemoduleerd draaggolfsignaal.

Op dit punt weten we dat modulatie verwijst naar het opzettelijk wijzigen van een sinusoïde zodanig dat het lagere-frequentie informatie kan overbrengen van een zender naar een ontvanger. We hebben ook veel details behandeld met betrekking tot de verschillende methoden – amplitude, frequentie, fase, analoog, digitaal – voor het coderen van informatie in een draaggolf.

Maar er is geen reden om gegevens in een uitgezonden signaal te integreren als we die gegevens niet uit het ontvangen signaal kunnen halen, en dit is waarom we demodulatie moeten bestuderen. Demodulatie schakelingen variëren van iets eenvoudigs als een gemodificeerde piek detector tot iets complex als coherente kwadratuur omzetting gecombineerd met verfijnde decodering algoritmen uitgevoerd door een digitale signaal processor.

Creatie van het signaal

We zullen LTspice gebruiken om technieken te bestuderen voor het demoduleren van een AM golfvorm. Maar voordat we gaan demoduleren hebben we iets nodig dat gemoduleerd wordt.

In de AM-modulatie pagina zagen we dat er vier dingen nodig zijn om een AM-golfvorm te genereren. Eerst hebben we een basisband golfvorm en een draaggolfvorm nodig. Dan hebben we een schakeling nodig die een DC-offset aan het basisbandsignaal kan toevoegen. En tenslotte hebben we een vermenigvuldiger nodig, omdat de wiskundige relatie die overeenkomt met amplitudemodulatie bestaat uit het vermenigvuldigen van het verschoven basisbandsignaal met de draaggolf.

De volgende LTspice-schakeling genereert een AM-golfvorm.

• V1 is een 1 MHz sinusvormige spanningsbron die het oorspronkelijke basisbandsignaal levert.
• V3 produceert een 100 MHz sinusvormige golf voor de draaggolf.
• De op-amp schakeling is een level shifter (deze vermindert ook de ingangsamplitude met de helft). Het signaal dat uit V1 komt is een sinus die schommelt van -1 V tot +1 V, en de uitgang van de op-amp is een sinus die schommelt van 0 V tot +1 V.
• B1 is een “arbitrary behavioral voltage source.” Zijn “waarde” veld is een formule in plaats van een constante; in dit geval is de formule het verschoven basisbandsignaal vermenigvuldigd met de draaggolfvorm. Op deze manier kan B1 worden gebruikt om amplitudemodulatie uit te voeren.

Hier is het verschoven basisband signaal:

En hier kunt u zien hoe de AM variaties overeenkomen met het basisband signaal (d.w.z, het oranje spoor dat grotendeels aan het oog wordt onttrokken door de blauwe golfvorm):

Als u inzoomt, ziet u de afzonderlijke cycli van de draaggolffrequentie van 100 MHz.

Demodulatie

Zoals besproken op de AM-modulatiepagina, heeft de vermenigvuldigingsoperatie die wordt gebruikt om amplitudemodulatie uit te voeren tot gevolg dat het basisbandspectrum wordt overgebracht naar een band rond de positieve draaggolffrequentie (+fC) en de negatieve draaggolffrequentie (-fC). We kunnen dus denken aan amplitudemodulatie als het verschuiven van het oorspronkelijke spectrum naar boven met fC en naar beneden met fC. Hieruit volgt dat vermenigvuldiging van het gemoduleerde signaal met de draaggolffrequentie het spectrum naar zijn oorspronkelijke positie zal terugbrengen – d.w.z, het zal het spectrum naar beneden verschuiven met fC zodat het weer gecentreerd is rond 0 Hz.

Optie 1: Vermenigvuldiging en filtering

Het volgende LTspice schema bevat een demodulerende arbitraire gedragsspanningsbron; B2 vermenigvuldigt het AM signaal met de draaggolf.

En hier is het resultaat:

Dit ziet er beslist niet correct uit. Als we inzoomen, zien we het volgende:

En dit onthult het probleem. Na amplitudemodulatie is het basisbandspectrum gecentreerd rond +fC. Vermenigvuldiging van de AM-golfvorm met de draaggolf verschuift het basisbandspectrum omlaag naar 0 Hz, maar verschuift het ook omhoog naar 2fC (in dit geval 200 MHz), omdat (zoals hierboven gezegd) de vermenigvuldiging het bestaande spectrum omhoog verschuift met fC en omlaag met fC.

Het is dus duidelijk dat vermenigvuldiging alleen niet voldoende is voor een goede demodulatie. Wat we nodig hebben is vermenigvuldiging en een laagdoorlaatfilter; het filter onderdrukt het spectrum dat tot 2fC is opgeschoven. Het volgende schema bevat een RC laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van ~1,5 MHz.

En hier is het gedemoduleerde signaal:

Deze techniek is eigenlijk ingewikkelder dan het lijkt omdat de fase van de draaggolfgolfvorm van de ontvanger moet worden gesynchroniseerd met de fase van de draaggolf van de zender. Dit wordt verder besproken op blz. 5 van dit hoofdstuk (Kwadratuurdemodulatie begrijpen).

Optie 2: Piekdetector

Zoals u hierboven kunt zien in de grafiek die de AM-golfvorm (in blauw) en de verschoven basisbandgolfvorm (in oranje) toont, komt het positieve gedeelte van de AM-“omhullende” overeen met het basisbandsignaal. De term “omhullende” verwijst naar de variaties in sinusoïdale amplitude van de draaggolf (in tegenstelling tot de variaties in de momentane waarde van de golfvorm zelf). Als we op de een of andere manier het positieve deel van de AM-omhullende kunnen extraheren, kunnen we het basisbandsignaal reproduceren zonder gebruik te maken van een multiplicator.

Het blijkt vrij eenvoudig te zijn om de positieve omhullende om te zetten in een normaal signaal. We beginnen met een piekdetector, dat is gewoon een diode gevolgd door een condensator. De diode geleidt wanneer het ingangssignaal ten minste ~0,7 V boven de spanning op de condensator ligt, en anders gedraagt hij zich als een open circuit. De condensator houdt dus de piekspanning vast: als de huidige ingangsspanning lager is dan de condensatorspanning, neemt de condensatorspanning niet af omdat de omgekeerde diode ontlading voorkomt.

We willen echter geen piekdetector die de piekspanning gedurende een lange periode vasthoudt. In plaats daarvan willen we een schakeling die de piek vasthoudt ten opzichte van de hoogfrequente variaties van de draaggolfvorm, maar de piek niet vasthoudt ten opzichte van de laagfrequente variaties van de omhullende. Met andere woorden, wij willen een piekdetector die de piek slechts gedurende een korte periode vasthoudt. Wij bereiken dit door een parallelle weerstand toe te voegen die de condensator laat ontladen. (Dit type schakeling wordt een “lekke piekdetector” genoemd, waarbij “lek” verwijst naar het ontladingspad dat door de weerstand wordt verschaft). De weerstand wordt zo gekozen dat de ontlading langzaam genoeg is om de draaggolffrequentie af te vlakken en snel genoeg om de omhullende frequentie niet af te vlakken.

Hier volgt een voorbeeld van een lekke piekdetector voor AM-demodulatie:

Merk op dat ik het AM-signaal met een factor vijf heb versterkt om het ingangssignaal van de piekdetector groter te maken ten opzichte van de doorlaatspanning van de diode. De volgende grafiek geeft het algemene resultaat weer dat we met de lekkende piekdetector proberen te bereiken.

Het eindsignaal vertoont de verwachte lading/ontlading-karakteristiek:

Een laagdoorlaatfilter kan worden gebruikt om deze variaties af te vlakken.