Aprenda sobre dois circuitos que podem extrair a informação original de um sinal portador modulado por amplitude.

Neste ponto sabemos que a modulação se refere à modificação intencional de um sinusoidal de tal forma que ele pode transportar a informação de baixa frequência de um transmissor para um receptor. Também temos coberto muitos detalhes relacionados aos diferentes métodos – amplitude, frequência, fase, analógica, digital de codificação de informação em uma onda portadora.

Mas não há razão para integrar dados em um sinal transmitido se não pudermos extrair esses dados do sinal recebido, e é por isso que precisamos estudar a desmodulação. Os circuitos de desmodulação variam de algo tão simples como um detector de pico modificado a algo tão complexo como a downconversão coerente em quadratura combinada com sofisticados algoritmos de decodificação realizados por um processador de sinal digital.

Criando o Sinal

Usaremos LTspice para estudar técnicas de desmodulação de uma forma de onda AM. Mas antes de desmodularmos precisamos de algo que seja modulado.

Na página de modulação AM, vimos que quatro coisas são necessárias para gerar uma forma de onda AM. Primeiro, precisamos de uma forma de onda de banda de base e uma forma de onda portadora. Depois, precisamos de um circuito que possa adicionar um offset DC apropriado ao sinal da banda de base. E finalmente, precisamos de um multiplicador, já que a relação matemática correspondente à modulação de amplitude está multiplicando o sinal de banda de base deslocada pela portadora.

O seguinte circuito LTspice irá gerar uma forma de onda AM.

• V1 é uma fonte de tensão de onda senoidal de 1 MHz que fornece o sinal original da banda de base.
• V3 produz uma onda senoidal de 100 MHz para a portadora.
• O circuito op-amp é um shifter de nível (ele também reduz a amplitude de entrada pela metade). O sinal vindo de V1 é uma onda sinusoidal que gira de -1 V para +1 V, e a saída do op-amp é uma onda sinusoidal que gira de 0 V para +1 V.
• B1 é uma “fonte de tensão comportamental arbitrária”. O seu campo “valor” é uma fórmula e não uma constante; neste caso a fórmula é o sinal de banda de base deslocada multiplicado pela forma de onda portadora. Desta forma B1 pode ser usado para realizar a modulação de amplitude.

Aqui está o sinal de banda de base deslocada:

E aqui você pode ver como as variações de AM correspondem ao sinal de banda de base (isto é.., o traço laranja que é mais obscurecido pela forma de onda azul):

Zooming in revela os ciclos individuais da frequência portadora de 100 MHz.

Demodulação

Como discutido na página de modulação AM, a operação de multiplicação usada para realizar a modulação de amplitude tem o efeito de transferir o espectro da banda de base para uma banda em torno da frequência portadora positiva (+fC) e a frequência portadora negativa (-fC). Assim, podemos pensar na modulação de amplitude como deslocando o espectro original para cima por fC e para baixo por fC. Segue-se, então, que a multiplicação do sinal modulado pela frequência portadora irá transferir o espectro de volta à sua posição original, ou seja, ele irá deslocar o espectro para baixo por fC, de modo a centrar-se novamente em torno de 0 Hz.

Opção 1: Multiplicação e Filtragem

O seguinte esquema LTspice inclui uma fonte de tensão de comportamento arbitrário desmodulada; B2 multiplica o sinal AM pela portadora.

E aqui está o resultado:

Isto definitivamente não parece correto. Se fizermos zoom, vemos o seguinte:

>

E isto revela o problema. Após a modulação de amplitude, o espectro da banda de base é centrado em torno de +fC. A multiplicação da forma de onda AM pela portadora desloca o espectro da banda de base para 0 Hz, mas também o desloca para 2fC (neste caso 200 MHz), porque (como dito acima) a multiplicação desloca o espectro existente para cima por fC e para baixo por fC.

É claro, então, que a multiplicação por si só não é suficiente para uma desmodulação adequada. O que precisamos é de multiplicação e um filtro passa-baixo; o filtro suprime o espectro que foi deslocado até 2fC. O esquema seguinte inclui um filtro passa-baixo RC com uma frequência de corte de ~1,5 MHz.

> E aqui está o sinal desmodulado:

Esta técnica é na verdade mais complicada do que parece porque a fase da onda de frequência portadora do receptor deve ser sincronizada com a fase da portadora do transmissor. Isto é discutido mais adiante na página 5 deste capítulo (Entendendo a Demodulação da Quadratura).

Opção 2: Detector de Pico

Como você pode ver acima no gráfico que mostra a forma de onda AM (em azul) e a forma de onda de banda de base deslocada (em laranja), a porção positiva do “envelope” AM corresponde ao sinal da banda de base. O termo “envelope” refere-se às variações da amplitude sinusoidal da portadora (em oposição às variações do valor instantâneo da própria forma de onda). Se pudéssemos de alguma forma extrair a porção positiva do envelope AM, poderíamos reproduzir o sinal da banda de base sem usar um multiplicador.

Conclui-se que é bastante fácil converter o envelope positivo em um sinal normal. Começamos com um detector de picos, que é apenas um diodo seguido por um condensador. O diodo conduz quando o sinal de entrada está pelo menos ~0,7 V acima da tensão do condensador, e caso contrário age como um circuito aberto. Assim, o condensador mantém a tensão de pico: se a tensão de entrada da corrente for inferior à tensão do condensador, a tensão do condensador não diminui porque o díodo invertido impede a descarga.

No entanto, não queremos um detector de picos que retenha a tensão de pico durante um longo período de tempo. Em vez disso, queremos um circuito que retenha o pico em relação às variações de alta frequência da forma de onda portadora, mas que não retenha o pico em relação às variações de baixa frequência do envelope. Em outras palavras, queremos um detector de pico que retenha o pico apenas por um curto período de tempo. Conseguimos isso adicionando resistência paralela que permite que o condensador descarregue. (Este tipo de circuito é chamado de “detector de picos de fuga”, onde “fuga” se refere ao caminho de descarga fornecido pela resistência). A resistência é escolhida de tal forma que a descarga é lenta o suficiente para suavizar a frequência portadora e rápida o suficiente para não suavizar a frequência envolvente.

Aqui está um exemplo de um detector de picos de fuga para desmodulação AM:

Nota que amplifiquei o sinal AM por um factor de cinco de modo a tornar o sinal de entrada do detector de picos maior em relação à tensão de avanço do díodo. O gráfico seguinte apresenta o resultado geral que estamos tentando alcançar com o detector de pico de fuga.

>

O sinal final apresenta a característica de carga/descarga esperada:

>

Um filtro passa-baixo poderia ser usado para suavizar estas variações.