Învățați despre două circuite care pot extrage informația originală dintr-un semnal purtător modulat în amplitudine.

În acest moment știm că modulația se referă la modificarea intenționată a unei sinusoide astfel încât aceasta să poată transporta informații de frecvență inferioară de la un emițător la un receptor. De asemenea, am acoperit multe detalii legate de diferitele metode – amplitudine, frecvență, fază, analogică, digitală – de codificare a informației într-o undă purtătoare.

Dar nu există nici un motiv pentru a integra date într-un semnal transmis dacă nu putem extrage acele date din semnalul recepționat, și de aceea trebuie să studiem demodularea. Circuitele de demodulare variază de la ceva la fel de simplu ca un detector de vârf modificat până la ceva la fel de complex ca și conversia descendentă coerentă în cuadratură combinată cu algoritmi de decodare sofisticați realizați de un procesor de semnal digital.

Crearea semnalului

Vom folosi LTspice pentru a studia tehnicile de demodulare a unei forme de undă AM. Dar înainte de a demodula avem nevoie de ceva care să fie modulat.

În pagina de modulație AM, am văzut că sunt necesare patru lucruri pentru a genera o formă de undă AM. În primul rând, avem nevoie de o formă de undă în bandă de bază și de o formă de undă purtătoare. Apoi avem nevoie de un circuit care să poată adăuga un decalaj corespunzător de curent continuu la semnalul de bandă de bază. Și, în cele din urmă, avem nevoie de un multiplicator, deoarece relația matematică corespunzătoare modulației de amplitudine înmulțește semnalul de bandă de bază decalat cu purtătoarea.

Următorul circuit LTspice va genera o formă de undă AM.

• V1 este o sursă de tensiune sinusoidală de 1 MHz care furnizează semnalul original în bandă de bază.
• V3 produce o undă sinusoidală de 100 MHz pentru purtătoare.
• Circuitul amplificatorului operațional este un decalorator de nivel (reduce, de asemenea, amplitudinea de intrare la jumătate). Semnalul care vine de la V1 este o undă sinusoidală care oscilează de la -1 V la +1 V, iar ieșirea amplificatorului operațional este o undă sinusoidală care oscilează de la 0 V la +1 V.
• B1 este o „sursă de tensiune cu comportament arbitrar”. Câmpul său „valoare” este mai degrabă o formulă decât o constantă; în acest caz, formula este semnalul în bandă de bază decalat înmulțit cu forma de undă a purtătoarei. În acest fel, B1 poate fi folosit pentru a realiza modulația de amplitudine.

Iată semnalul în bandă de bază decalat:

Și aici puteți vedea cum variațiile AM corespund semnalului în bandă de bază (adică, urma portocalie care este în mare parte ascunsă de forma de undă albastră):

Majorarea relevă ciclurile individuale ale frecvenței purtătoare de 100 MHz.

Demodulare

După cum s-a discutat în pagina de modulație AM, operația de multiplicare folosită pentru a realiza modulația de amplitudine are ca efect transferul spectrului benzii de bază într-o bandă care înconjoară frecvența purtătoare pozitivă (+fC) și frecvența purtătoare negativă (-fC). Astfel, ne putem gândi la modulația de amplitudine ca la o deplasare a spectrului original în sus cu fC și în jos cu fC. Rezultă, așadar, că înmulțirea semnalului modulat cu frecvența purtătoarei va transfera spectrul înapoi în poziția sa inițială – de ex, va deplasa spectrul în jos cu fC astfel încât acesta să fie din nou centrat în jurul valorii de 0 Hz.

Opțiunea 1: Multiplicare și filtrare

Schema LTspice următoare include o sursă de tensiune demodulatoare cu comportament arbitrar; B2 multiplică semnalul AM cu purtătoarea.

Și iată rezultatul:

Acesta cu siguranță nu pare corect. Dacă mărim imaginea, vom vedea următoarele:

Și acest lucru dezvăluie problema. După modulația de amplitudine, spectrul benzii de bază este centrat în jurul valorii de +fC. Înmulțirea formei de undă AM cu purtătoarea deplasează spectrul benzii de bază în jos la 0 Hz, dar îl deplasează, de asemenea, în sus la 2fC (în acest caz 200 MHz), deoarece (așa cum s-a spus mai sus) multiplicarea deplasează spectrul existent în sus cu fC și în jos cu fC.

Este clar, deci, că multiplicarea singură nu este suficientă pentru o demodulare adecvată. Avem nevoie de multiplicare și de un filtru trece-jos; filtrul suprimă spectrul care a fost deplasat în sus cu 2fC. Următoarea schemă include un filtru trece-jos RC cu o frecvență de tăiere de ~1,5 MHz.

Și iată semnalul demodulat:

Această tehnică este de fapt mai complicată decât pare, deoarece faza formei de undă a frecvenței purtătoare a receptorului trebuie să fie sincronizată cu faza purtătoarei emițătorului. Acest lucru este discutat în continuare la pagina 5 din acest capitol (Înțelegerea demodulării în cuadratură).

Opțiunea 2: Detectorul de vârf

După cum puteți vedea mai sus, în graficul care prezintă forma de undă AM (în albastru) și forma de undă în bandă de bază decalată (în portocaliu), porțiunea pozitivă a „învelișului” AM se potrivește cu semnalul în bandă de bază. Termenul „plic” se referă la variațiile de amplitudine sinusoidală ale purtătoarei (spre deosebire de variațiile valorii instantanee a formei de undă în sine). Dacă am putea extrage cumva porțiunea pozitivă a anvelopei AM, am putea reproduce semnalul în bandă de bază fără a folosi un multiplicator.

Se pare că este destul de ușor să convertim anvelopa pozitivă într-un semnal normal. Începem cu un detector de vârf, care este doar o diodă urmată de un condensator. Dioda conduce atunci când semnalul de intrare este cu cel puțin ~0,7 V peste tensiunea de pe condensator, iar în caz contrar se comportă ca un circuit deschis. Astfel, condensatorul menține tensiunea de vârf: dacă tensiunea de intrare a curentului este mai mică decât tensiunea condensatorului, tensiunea condensatorului nu scade deoarece dioda polarizată în sens invers împiedică descărcarea.

Cu toate acestea, nu ne dorim un detector de vârf care să păstreze tensiunea de vârf pentru o perioadă lungă de timp. În schimb, dorim un circuit care să rețină vârful în raport cu variațiile de înaltă frecvență ale formei de undă purtătoare, dar nu reține vârful în raport cu variațiile de frecvență mai joasă ale anvelopei. Cu alte cuvinte, dorim un detector de vârf care să rețină vârful doar pentru o perioadă scurtă de timp. Realizăm acest lucru prin adăugarea unei rezistențe paralele care permite condensatorului să se descarce. (Acest tip de circuit se numește „detector de vârf cu scurgeri”, unde „cu scurgeri” se referă la calea de descărcare oferită de rezistor). Rezistența este aleasă astfel încât descărcarea să fie suficient de lentă pentru a netezi frecvența purtătoarei și suficient de rapidă pentru a nu netezi frecvența anvelopei.

Iată un exemplu de detector de vârf cu scurgeri pentru demodularea AM:

Rețineți că am amplificat semnalul AM cu un factor de cinci pentru ca semnalul de intrare al detectorului de vârf să fie mai mare în raport cu tensiunea directă a diodei. Următoarea diagramă transmite rezultatul general pe care încercăm să-l obținem cu detectorul de vârf cu scurgeri.

Semnalul final prezintă caracteristica de încărcare/descărcare așteptată:

Un filtru trece-jos ar putea fi folosit pentru a netezi aceste variații.

.