Hoe een AM-golfvorm te demoduleren

Demodulatie van radiofrequenties
Meer informatie over twee circuits die de originele informatie kunnen extraheren uit een amplitude-gemoduleerd draaggolfsignaal.

Op dit punt weten we dat modulatie verwijst naar het opzettelijk wijzigen van een sinusoïde zodat deze informatie met een lagere frequentie van een zender naar een ontvanger kan overbrengen. We hebben ook veel details behandeld met betrekking tot de verschillende methoden - amplitude, frequentie, fase, analoog, digitaal - van 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 daarom moeten we demodulatie bestuderen. 

Demodulatiecircuits variëren van zoiets eenvoudigs als een gemodificeerde piekdetector tot zoiets complexs als coherente kwadratuur-downconversie gecombineerd met geavanceerde decoderingsalgoritmen die worden uitgevoerd door een digitale signaalprocessor.

Het creëren van het signaal
We zullen LTspice gebruiken om technieken te bestuderen voor het demoduleren van een AM-golfvorm. Maar voordat we demoduleren, hebben we iets nodig dat gemoduleerd is.

Op de AM-modulatiepagina zagen we dat er vier dingen nodig zijn om een ​​AM-golfvorm te genereren. Ten eerste hebben we een basisbandgolfvorm en een draaggolfgolfvorm nodig. Dan hebben we een circuit nodig dat een geschikte DC-offset kan toevoegen aan het basisbandsignaal. 

En tot slot hebben we een vermenigvuldiger nodig, aangezien de wiskundige relatie die overeenkomt met amplitudemodulatie het vermenigvuldigen van het verschoven basisbandsignaal met de draaggolf is.

Het volgende LTspice-circuit genereert een AM-golfvorm.

*V1 is een 1 MHz sinusspanningsbron die het originele basisbandsignaal levert.

*V3 produceert een sinusgolf van 100 MHz voor de draaggolf.

*Het op-amp-circuit is een niveauverschuiver (het vermindert ook de ingangsamplitude met de helft). Het signaal dat van V1 komt, is een sinusgolf die schommelt van –1 V tot +1 V, en de uitvoer van de op-amp is een sinusgolf die schommelt van 0 V tot +1 V.

*B1 is een "willekeurige gedragsspanningsbron". Het veld "waarde" is eerder een formule dan 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 basisbandsignaal:

En hier kun je zien hoe de AM-variaties overeenkomen met het basisbandsignaal (dwz het oranje spoor dat grotendeels wordt verduisterd door de blauwe golfvorm):

Demodulatie

Zoals besproken op de AM-modulatiepagina, heeft de vermenigvuldigingsbewerking die wordt gebruikt om amplitudemodulatie uit te voeren het effect van het overbrengen van het basisbandspectrum naar een band rond de positieve draaggolffrequentie (+fC) en de negatieve draaggolffrequentie (–fC). 

We kunnen amplitudemodulatie dus beschouwen als het verschuiven van het oorspronkelijke spectrum met fC naar boven en fC naar beneden. Hieruit volgt dat het vermenigvuldigen van het gemoduleerde signaal met de draaggolffrequentie het spectrum terugbrengt naar zijn oorspronkelijke positie, dwz het verschuift het spectrum naar beneden met fC zodat het weer gecentreerd is rond 0 Hz.

Optie 1: vermenigvuldigen en filteren
Het volgende LTspice-schema bevat een demodulerende willekeurige gedragsspanningsbron; B2 vermenigvuldigt het AM-signaal met de draaggolf.

 

En hier is het resultaat:

Dit ziet er absoluut 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 naar 0 Hz, maar verschuift het ook naar 2fC (in dit geval 200 MHz), omdat (zoals hierboven vermeld) vermenigvuldiging het bestaande spectrum omhoog verplaatst 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 is verschoven naar 2fC. 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 draaggolffrequentiegolfvorm van de ontvanger moet worden gesynchroniseerd met de fase van de draaggolf van de zender. Dit wordt verder besproken op pagina 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) laat zien, komt het positieve deel van de AM-"envelope" overeen met het basisbandsignaal. 

De term "envelope" verwijst naar de variaties van de draaggolf in sinusvormige amplitude (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-envelop zouden kunnen extraheren, zouden we het basisbandsignaal kunnen reproduceren zonder een vermenigvuldiger te gebruiken.

Het blijkt vrij eenvoudig om de positieve envelop om te zetten in een normaal signaal. We beginnen met een piekdetector, die slechts een diode is gevolgd door een condensator. 

De diode geleidt wanneer het ingangssignaal ten minste ~0.7 V boven de spanning op de condensator ligt, en anders werkt het als een open circuit. De condensator handhaaft dus de piekspanning: als de huidige ingangsspanning lager is dan de condensatorspanning, neemt de condensatorspanning niet af omdat de sperdiode ontlading voorkomt.

We willen echter geen piekdetector die de piekspanning lang vasthoudt. In plaats daarvan willen we een circuit dat de piek vasthoudt ten opzichte van de hoogfrequente variaties van de draaggolfvorm, maar niet de piek vasthoudt ten opzichte van de laagfrequente variaties van de omhulling. Met andere woorden, we willen een piekdetector die de piek slechts korte tijd vasthoudt. 

We bereiken dit door parallelle weerstand toe te voegen waardoor de condensator kan ontladen. (Dit type circuit wordt een "lekkende piekdetector" genoemd, waarbij "lekken" verwijst naar het ontladingspad dat door de weerstand wordt geleverd.) 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 is een voorbeeld van een lekkende 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 proberen te bereiken met de lekkende piekdetector.

Het eindsignaal vertoont de verwachte laad-/ontlaadkarakteristiek:




Een laagdoorlaatfilter zou kunnen worden gebruikt om deze variaties glad te strijken.

Samengevat

*In LTspice kan een willekeurige gedragsspanningsbron worden gebruikt om een ​​AM-golfvorm te creëren.

*AM-golfvormen kunnen worden gedemoduleerd met behulp van een vermenigvuldiger gevolgd door een laagdoorlaatfilter.

*Een eenvoudigere (en goedkopere) aanpak is het gebruik van een lekkende piekdetector, dwz een piekdetector met parallelle weerstand die ervoor zorgt dat de condensator met een geschikte snelheid ontlaadt.

Laat een bericht achter 

Message List