Lernen Sie zwei Schaltungen kennen, die die ursprüngliche Information aus einem amplitudenmodulierten Trägersignal extrahieren können.

Bis hierher wissen wir, dass Modulation sich auf die absichtliche Veränderung einer Sinuskurve bezieht, so dass sie Informationen niedrigerer Frequenz von einem Sender zu einem Empfänger übertragen kann. Wir haben auch viele Details zu den verschiedenen Methoden – Amplitude, Frequenz, Phase, analog, digital – der Codierung von Informationen in einer Trägerwelle behandelt.

Aber es gibt keinen Grund, Daten in ein übertragenes Signal zu integrieren, wenn wir diese Daten nicht aus dem empfangenen Signal extrahieren können, und deshalb müssen wir die Demodulation studieren. Demodulationsschaltungen reichen von etwas so Einfachem wie einem modifizierten Spitzendetektor bis hin zu etwas so Komplexem wie einer kohärenten Quadraturabwärtskonvertierung in Kombination mit hochentwickelten Dekodierungsalgorithmen, die von einem digitalen Signalprozessor ausgeführt werden.

Signalerzeugung

Wir werden LTspice verwenden, um Techniken zur Demodulation einer AM-Wellenform zu untersuchen. Aber bevor wir demodulieren, brauchen wir etwas, das moduliert ist.

Auf der Seite AM-Modulation haben wir gesehen, dass vier Dinge nötig sind, um eine AM-Wellenform zu erzeugen. Zuerst brauchen wir eine Basisband-Wellenform und eine Trägerwellenform. Dann brauchen wir eine Schaltung, die dem Basisbandsignal einen geeigneten DC-Offset hinzufügen kann. Und schließlich brauchen wir einen Multiplizierer, da die mathematische Beziehung, die der Amplitudenmodulation entspricht, die Multiplikation des verschobenen Basisbandsignals mit dem Träger ist.

Die folgende LTspice-Schaltung erzeugt eine AM-Wellenform.

• V1 ist eine 1-MHz-Sinusspannungsquelle, die das ursprüngliche Basisbandsignal liefert.
• V3 erzeugt eine 100-MHz-Sinusspannung für den Träger.
• Die Operationsverstärkerschaltung ist ein Pegelschieber (sie reduziert auch die Eingangsamplitude um die Hälfte). Das von V1 kommende Signal ist eine Sinuswelle, die von -1 V bis +1 V schwankt, und der Ausgang des Operationsverstärkers ist eine Sinuswelle, die von 0 V bis +1 V schwankt.
• B1 ist eine „Spannungsquelle mit beliebigem Verhalten“. Sein „Wert“-Feld ist eher eine Formel als eine Konstante; in diesem Fall ist die Formel das verschobene Basisbandsignal multipliziert mit der Trägerwellenform. Auf diese Weise kann B1 zur Amplitudenmodulation verwendet werden.

Hier ist das verschobene Basisbandsignal:

Und hier kann man sehen, wie die AM-Variationen dem Basisbandsignal entsprechen (d.h., die orangefarbene Kurve, die größtenteils von der blauen Wellenform verdeckt wird):

Das Heranzoomen zeigt die einzelnen Zyklen der 100 MHz Trägerfrequenz.

Demodulation

Wie auf der Seite AM-Modulation erläutert, bewirkt die Multiplikationsoperation, die zur Durchführung der Amplitudenmodulation verwendet wird, die Übertragung des Basisbandspektrums auf ein Band, das die positive Trägerfrequenz (+fC) und die negative Trägerfrequenz (-fC) umgibt. Man kann sich die Amplitudenmodulation also als Verschiebung des ursprünglichen Spektrums um fC nach oben und um fC nach unten vorstellen. Daraus folgt, dass die Multiplikation des modulierten Signals mit der Trägerfrequenz das Spektrum in seine ursprüngliche Position zurückbringt, d. h, Es verschiebt das Spektrum um fC nach unten, so dass es wieder um 0 Hz zentriert ist.

Option 1: Multiplikation und Filterung

Das folgende LTspice-Schema enthält eine demodulierende Spannungsquelle mit beliebigem Verhalten; B2 multipliziert das AM-Signal mit dem Träger.

Und hier ist das Ergebnis:

Das sieht definitiv nicht korrekt aus. Wenn wir heranzoomen, sehen wir folgendes:

Und hier wird das Problem deutlich. Nach der Amplitudenmodulation ist das Basisbandspektrum um +fC zentriert. Die Multiplikation der AM-Wellenform mit dem Träger verschiebt das Basisbandspektrum nach unten auf 0 Hz, aber auch nach oben auf 2fC (in diesem Fall 200 MHz), weil (wie oben erwähnt) die Multiplikation das vorhandene Spektrum um fC nach oben und um fC nach unten verschiebt.

Es ist also klar, dass die Multiplikation allein für eine korrekte Demodulation nicht ausreicht. Wir benötigen eine Multiplikation und einen Tiefpassfilter, der das um 2fC nach oben verschobene Spektrum unterdrückt. Das folgende Schaltbild enthält einen RC-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von ~1,5 MHz.

Und hier ist das demodulierte Signal:

Diese Technik ist komplizierter, als es den Anschein hat, weil die Phase der Trägerfrequenz-Wellenform des Empfängers mit der Phase der Trägerfrequenz des Senders synchronisiert werden muss. Dies wird auf Seite 5 dieses Kapitels (Quadraturdemodulation) näher erläutert.

Option 2: Spitzenwertdetektor

Wie Sie oben in der Grafik sehen können, die die AM-Wellenform (in blau) und die verschobene Basisband-Wellenform (in orange) zeigt, stimmt der positive Teil der AM-„Hüllkurve“ mit dem Basisbandsignal überein. Der Begriff „Hüllkurve“ bezieht sich auf die Variationen der sinusförmigen Amplitude des Trägers (im Gegensatz zu den Variationen des Momentanwerts der Wellenform selbst). Wenn wir irgendwie den positiven Teil der AM-Hüllkurve extrahieren könnten, könnten wir das Basisbandsignal ohne Multiplikator reproduzieren.

Es stellt sich heraus, dass es recht einfach ist, die positive Hüllkurve in ein normales Signal umzuwandeln. Wir beginnen mit einem Spitzendetektor, der nur aus einer Diode und einem Kondensator besteht. Die Diode ist leitend, wenn das Eingangssignal mindestens ~0,7 V über der Spannung am Kondensator liegt, andernfalls verhält sie sich wie ein offener Stromkreis. Auf diese Weise hält der Kondensator die Spitzenspannung aufrecht: Wenn die aktuelle Eingangsspannung niedriger ist als die Kondensatorspannung, nimmt die Kondensatorspannung nicht ab, weil die in Sperrrichtung vorgespannte Diode eine Entladung verhindert.

Wir wollen jedoch keinen Spitzendetektor, der die Spitzenspannung über einen langen Zeitraum aufrechterhält. Stattdessen wollen wir eine Schaltung, die den Spitzenwert in Bezug auf die hochfrequenten Schwankungen der Trägerwellenform beibehält, aber nicht in Bezug auf die niederfrequenten Schwankungen der Hüllkurve. Mit anderen Worten, wir wollen einen Spitzenwertdetektor, der den Spitzenwert nur für eine kurze Zeitspanne festhält. Wir erreichen dies, indem wir einen Parallelwiderstand hinzufügen, der die Entladung des Kondensators ermöglicht. (Diese Art von Schaltung wird als „undichter Spitzendetektor“ bezeichnet, wobei sich „undicht“ auf den Entladungsweg bezieht, den der Widerstand bietet). Der Widerstand wird so gewählt, dass die Entladung langsam genug ist, um die Trägerfrequenz zu glätten, und schnell genug, um die Hüllfrequenz nicht zu glätten.

Hier ist ein Beispiel für einen Leaky-Peak-Detektor für die AM-Demodulation:

Beachten Sie, dass ich das AM-Signal um den Faktor fünf verstärkt habe, um das Eingangssignal des Peak-Detektors relativ zur Durchlassspannung der Diode größer zu machen. Das folgende Diagramm vermittelt das allgemeine Ergebnis, das wir mit dem Leaky-Peak-Detektor zu erreichen versuchen.

Das endgültige Signal weist die erwartete Lade-/Entladekennlinie auf:

Ein Tiefpassfilter könnte verwendet werden, um diese Schwankungen zu glätten.