Poznaj dwa obwody, które mogą wydobyć oryginalną informację z sygnału nośnego zmodulowanego amplitudowo.

W tym momencie wiemy, że modulacja odnosi się do celowego modyfikowania sinusoidy tak, aby mogła przenosić informacje o niższej częstotliwości z nadajnika do odbiornika. Mamy również pokryte wiele szczegółów związanych z różnych metod – amplitudy, częstotliwości, fazy, analogowe, cyfrowe – kodowania informacji w fali nośnej.

Ale nie ma powodu, aby zintegrować dane do przesyłanego sygnału, jeśli nie możemy wydobyć te dane z odbieranego sygnału, i to jest powód, dlaczego musimy studiować demodulacji. Obwody demodulacji wahają się od czegoś tak prostego jak zmodyfikowany detektor szczytowy do czegoś tak złożonego jak koherentna kwadraturowa konwersja w dół połączona z wyrafinowanymi algorytmami dekodowania wykonywanymi przez cyfrowy procesor sygnału.

Tworzenie sygnału

Użyjemy LTspice do zbadania technik demodulacji fali AM. Ale przed demodulacją potrzebujemy czegoś, co jest modulowane.

Na stronie o modulacji AM, widzieliśmy, że cztery rzeczy są potrzebne do wygenerowania fali AM. Po pierwsze, potrzebujemy kształtu fali pasma podstawowego i fali nośnej. Następnie potrzebujemy obwodu, który może dodać odpowiedni offset DC do sygnału pasma podstawowego. I w końcu, potrzebujemy mnożnika, ponieważ matematyczna zależność odpowiadająca modulacji amplitudy to mnożenie przesuniętego sygnału pasma podstawowego przez nośną.

Następujący układ LTspice wygeneruje przebieg AM.

• V1 jest źródłem napięcia sinusoidalnego o częstotliwości 1 MHz, które dostarcza oryginalny sygnał pasma podstawowego.
• V3 wytwarza sinusoidę o częstotliwości 100 MHz dla nośnej.
• Obwód op-ampa jest przesuwnikiem poziomu (zmniejsza również amplitudę wejściową o połowę). Sygnał pochodzący z V1 jest sinusoidą o amplitudzie wahającej się od -1 V do +1 V, a wyjście op-ampa jest sinusoidą o amplitudzie wahającej się od 0 V do +1 V.
• B1 jest „arbitralnym behawioralnym źródłem napięcia”. Jego pole „wartość” jest raczej wzorem niż stałą; w tym przypadku wzór jest przesunięty sygnał pasma podstawowego pomnożony przez przebieg nośny. W ten sposób B1 może być używany do wykonywania modulacji amplitudy.

Tutaj jest przesunięty sygnał pasma podstawowego:

I tutaj można zobaczyć, jak zmiany AM odpowiadają sygnałowi pasma podstawowego (tj, pomarańczowy ślad, który jest w większości przesłonięty przez niebieski przebieg):

Powiększenie ujawnia poszczególne cykle częstotliwości nośnej 100 MHz.

Demodulacja

Jak omówiono na stronie poświęconej modulacji AM, operacja mnożenia stosowana do wykonania modulacji amplitudy powoduje przeniesienie widma pasma podstawowego do pasma otaczającego dodatnią częstotliwość nośną (+fC) i ujemną częstotliwość nośną (-fC). Tak więc, możemy myśleć o modulacji amplitudy jako przesunięcie oryginalnego widma w górę o fC i w dół o fC. Wynika z tego, że pomnożenie zmodulowanego sygnału przez częstotliwość nośną przeniesie widmo z powrotem do jego pierwotnej pozycji – tzn, przesunie widmo w dół o fC tak, że będzie ono ponownie wyśrodkowane wokół 0 Hz.

Opcja 1: Mnożenie i filtrowanie

Następujący schemat LTspice zawiera demodulujące źródło napięcia arbitralnego zachowania; B2 mnoży sygnał AM przez częstotliwość nośną.

A oto wynik:

To zdecydowanie nie wygląda poprawnie. Jeśli powiększymy obraz, zobaczymy co następuje:

I tu ujawnia się problem. Po modulacji amplitudy, widmo pasma podstawowego jest skupione wokół +fC. Pomnożenie kształtu fali AM przez nośną przesuwa widmo pasma podstawowego w dół do 0 Hz, ale przesuwa je również w górę do 2fC (w tym przypadku 200 MHz), ponieważ (jak stwierdzono powyżej) mnożenie przesuwa istniejące widmo w górę o fC i w dół o fC.

Jasne jest więc, że samo mnożenie nie wystarcza do prawidłowej demodulacji. To, czego potrzebujemy to mnożenie i filtr dolnoprzepustowy; filtr tłumi widmo, które zostało przesunięte w górę o 2fC. Poniższy schemat zawiera filtr dolnoprzepustowy RC z częstotliwością odcięcia ~1,5 MHz.

A oto zdemodulowany sygnał:

Ta technika jest w rzeczywistości bardziej skomplikowane niż się wydaje, ponieważ faza fali nośnej odbiornika częstotliwości musi być zsynchronizowana z fazą nośnej nadajnika. Jest to omówione dalej na stronie 5 tego rozdziału (Zrozumienie Demodulacji Kwadraturowej).

Opcja 2: Detektor Szczytowy

Jak widać powyżej na wykresie, który pokazuje przebieg AM (na niebiesko) i przesunięty przebieg pasma podstawowego (na pomarańczowo), dodatnia część „obwiedni” AM pasuje do sygnału pasma podstawowego. Termin „obwiednia” odnosi się do zmian nośnej w sinusoidalnej amplitudzie (w przeciwieństwie do zmian w wartości chwilowej samego przebiegu). Gdybyśmy mogli w jakiś sposób wyodrębnić dodatnią część obwiedni AM, moglibyśmy odtworzyć sygnał pasma podstawowego bez użycia mnożnika.

Okazuje się, że dość łatwo jest przekształcić dodatnią obwiednię w normalny sygnał. Zaczynamy od detektora szczytowego, który jest po prostu diodą, a za nią kondensatorem. Dioda przewodzi, gdy sygnał wejściowy jest co najmniej ~0,7 V powyżej napięcia na kondensatorze, a w przeciwnym razie zachowuje się jak obwód otwarty. Tak więc, kondensator utrzymuje napięcie szczytowe: jeśli bieżące napięcie wejściowe jest niższe niż napięcie kondensatora, napięcie kondensatora nie spada, ponieważ dioda odwrotnie diagonalna zapobiega rozładowaniu.

Jednakże, nie chcemy detektora wartości szczytowych, który będzie utrzymywał napięcie szczytowe przez długi okres czasu. Zamiast tego chcemy układu, który zachowuje wartość szczytową w odniesieniu do zmian wysokiej częstotliwości fali nośnej, ale nie zachowuje wartości szczytowej w odniesieniu do zmian niższej częstotliwości obwiedni. Innymi słowy, chcemy detektor szczytu, który utrzymuje szczyt tylko przez krótki okres czasu. Osiągamy to poprzez dodanie równoległej rezystancji, która pozwala kondensatorowi na rozładowanie. (Ten typ obwodu nazywany jest „nieszczelnym detektorem szczytu”, gdzie „nieszczelny” odnosi się do ścieżki rozładowania zapewnianej przez rezystor). Opór jest tak dobrany, że rozładowanie jest wystarczająco powolne, aby wygładzić częstotliwość nośną i wystarczająco szybkie, aby nie wygładzić częstotliwości obwiedni.

Tutaj jest przykład nieszczelnego detektora szczytowego do demodulacji AM:

Zauważ, że wzmocniłem sygnał AM pięciokrotnie, aby sygnał wejściowy detektora szczytowego był większy w stosunku do napięcia zasilania diody. Poniższy wykres przedstawia ogólny rezultat, który staramy się osiągnąć za pomocą nieszczelnego detektora szczytowego.

Sygnał końcowy wykazuje oczekiwaną charakterystykę ładowania/rozładowania:

Filtr dolnoprzepustowy mógłby być użyty do wygładzenia tych zmian.

.