Hoe een FM-golfvorm te demoduleren

Demodulatie van radiofrequenties
Meer informatie over twee technieken voor het herstellen van het basisbandsignaal van een frequentiegemoduleerde draaggolf.

Frequentiemodulatie biedt verbeterde prestaties ten opzichte van amplitudemodulatie, maar het is iets moeilijker om de oorspronkelijke informatie uit een FM-golfvorm te halen. Er zijn een paar verschillende manieren om FM te demoduleren; op deze pagina bespreken we er twee. Een daarvan is vrij eenvoudig, en de andere is complexer.

Het creëren van het signaal
Net als in Hoe een AM-golfvorm te demoduleren, gebruiken we LTspice om FM-demodulatie te verkennen, en opnieuw moeten we eerst frequentiemodulatie uitvoeren, zodat we iets hebben om te demoduleren. 

Als je terugkijkt op de pagina over analoge frequentiemodulatie, zul je zien dat de wiskundige relatie minder rechtlijnig is dan die van amplitudemodulatie. 

Met AM voegden we eenvoudigweg een offset toe en voerden vervolgens een gewone vermenigvuldiging uit. Met FM moeten we continu variërende waarden toevoegen aan de hoeveelheid binnen een sinus (of cosinus) functie, en bovendien zijn deze continu variërende waarden niet het basisbandsignaal maar eerder de integraal van het basisbandsignaal.

Bijgevolg kunnen we geen FM-golfvorm genereren met behulp van een willekeurige gedragsspanningsbron en een eenvoudige wiskundige relatie, zoals we deden met AM. Het blijkt echter dat het eigenlijk gemakkelijker is om een ​​FM-signaal te genereren. We gebruiken gewoon de SFFM-optie voor een normale spanningsbron:

Het volgende "circuit" is alles wat we nodig hebben om een ​​FM-golfvorm te creëren die bestaat uit een draaggolf van 10 MHz en een sinusvormig basisbandsignaal van 1 MHz:




Merk op dat de modulatie-index vijf is; een hogere modulatie-index maakt het gemakkelijker om de frequentievariaties te zien. De volgende grafiek toont de golfvorm die wordt gecreëerd door de SFFM-spanningsbron.

Demodulatie: het hoogdoorlaatfilter
De eerste demodulatietechniek die we zullen bekijken, begint met een hoogdoorlaatfilter. We gaan ervan uit dat we te maken hebben met smalband FM. We moeten het hoogdoorlaatfilter zo ontwerpen dat de verzwakking aanzienlijk zal variëren binnen een frequentieband waarvan de breedte tweemaal de bandbreedte is van het basisbandsignaal. Laten we dit concept wat grondiger onderzoeken.

Het ontvangen FM-signaal heeft een spectrum dat gecentreerd is rond de draaggolffrequentie. De breedte van het spectrum is ongeveer gelijk aan tweemaal de bandbreedte van het basisbandsignaal; de factor twee is het resultaat van de verschuiving van de positieve en negatieve basisbandfrequenties, en is "ongeveer" gelijk omdat de integratie toegepast op het basisbandsignaal de vorm van het gemoduleerde spectrum kan beïnvloeden. 

De laagste frequentie in het gemoduleerde signaal is dus ongeveer gelijk aan de draaggolffrequentie minus de hoogste frequentie in het basisbandsignaal, en de hoogste frequentie in het gemoduleerde signaal is ongeveer gelijk aan de draaggolffrequentie plus de hoogste frequentie in het basisbandsignaal.

Ons hoogdoorlaatfilter moet een frequentierespons hebben die ervoor zorgt dat de laagste frequentie in het gemoduleerde signaal aanzienlijk meer wordt verzwakt dan de hoogste frequentie in het gemoduleerde signaal. Als we dit filter toepassen op een FM-golfvorm, wat is dan het resultaat? Het zal zoiets zijn:

Deze grafiek toont zowel de oorspronkelijke FM-golfvorm als de hoogdoorlaat-gefilterde golfvorm, ter vergelijking. De volgende grafiek toont alleen de gefilterde golfvorm, zodat u deze duidelijker kunt zien.

Door het filter toe te passen, hebben we frequentiemodulatie omgezet in amplitudemodulatie. Dit is een handige benadering van FM-demodulatie, omdat het ons in staat stelt te profiteren van enveloppe-detectorcircuits die zijn ontwikkeld voor gebruik met amplitudemodulatie. Het filter dat werd gebruikt om deze golfvorm te produceren, was niets meer dan een RC-hoogdoorlaat met een afsnijfrequentie die ongeveer gelijk was aan de draaggolffrequentie.

Amplitude ruis

De eenvoud van dit demodulatieschema doet ons natuurlijk denken dat het niet de meest performante optie is, en in feite heeft deze benadering een grote zwakte: het is gevoelig voor amplitudevariaties. 

Het uitgezonden signaal zal een constante omhullende hebben omdat frequentiemodulatie geen veranderingen in de amplitude van de draaggolf met zich meebrengt, maar het ontvangen signaal zal geen constante omhullende hebben omdat de amplitude onvermijdelijk wordt beïnvloed door foutbronnen.

Bijgevolg kunnen we geen acceptabele FM-demodulator ontwerpen door simpelweg een hoogdoorlaatfilter toe te voegen aan een AM-demodulator. We hebben ook een begrenzer nodig, een circuit dat amplitudevariaties beperkt door het ontvangen signaal tot een bepaalde amplitude te beperken. 

Het bestaan ​​van deze eenvoudige en effectieve remedie voor amplitudevariaties stelt FM in staat zijn grotere (vergeleken met AM) robuustheid tegen amplituderuis te behouden: we kunnen geen begrenzer gebruiken met AM-signalen omdat het beperken van de amplitude de in de draaggolf gecodeerde informatie corrumpeert. FM, aan de andere kant, codeert alle informatie in de temporele kenmerken van het verzonden signaal.

Demodulatie: de fasevergrendelde lus
Een fasevergrendelde lus (PLL) kan worden gebruikt om een ​​complex maar krachtig circuit voor FM-demodulatie te creëren. Een PLL kan "vergrendelen" op de frequentie van een inkomende golfvorm. Het doet dit door een fasedetector, een laagdoorlaatfilter (ook wel "lusfilter" genoemd) en een spanningsgestuurde oscillator (VCO) te combineren tot een systeem met negatieve feedback, en wel als volgt:

Nadat de PLL is vergrendeld, kan deze een uitgangssinusoïde creëren die de frequentievariaties in de binnenkomende sinusoïde volgt. Deze uitvoergolfvorm zou worden overgenomen van de uitvoer van de VCO. 

In een FM-demodulatortoepassing hebben we echter geen uitgangssinusoïde nodig die dezelfde frequentie heeft als het ingangssignaal. In plaats daarvan gebruiken we de uitvoer van het lusfilter als een gedemoduleerd signaal. Laten we eens kijken waarom dit mogelijk is.

De fasedetector produceert een signaal dat evenredig is met het faseverschil tussen de inkomende golfvorm en de uitvoer van de VCO. Het lusfilter vlakt dit signaal af, dat dan het stuursignaal voor de VCO wordt. 

Dus als de frequentie van het inkomende signaal constant toeneemt en afneemt, moet het VCO-besturingssignaal dienovereenkomstig toenemen en afnemen om ervoor te zorgen dat de VCO-uitgangsfrequentie gelijk blijft aan de ingangsfrequentie. Met andere woorden, de uitvoer van het lusfilter is een signaal waarvan de amplitudevariaties overeenkomen met de invoerfrequentievariaties. Dit is hoe een PLL frequentiedemodulatie tot stand brengt.

Samengevat

*In LTspice kan een frequentiegemoduleerde sinusoïde worden gegenereerd door de SFFM-optie te gebruiken voor standaard spanningsbronnen.

*Een eenvoudige en effectieve FM-demodulatietechniek omvat een hoogdoorlaatfilter (voor FM-naar-AM-conversie) gevolgd door een AM-demodulator.

* Een FM-demodulator op basis van een hoogdoorlaatfilter wordt voorafgegaan door een begrenzer om te voorkomen dat amplitudevariaties bijdragen aan fouten in het gedemoduleerde signaal.

*Een fasevergrendelde lus kan worden gebruikt om hoogwaardige FM-demodulatie te bereiken. Het gebruik van PLL's met geïntegreerde schakelingen maakt deze aanpak minder complex dan het lijkt.

Laat een bericht achter 

Message List