Hur man demodulerar en AM-vågform

Radiofrekvensdemodulering
Lär dig mer om två kretsar som kan extrahera originalinformationen från en amplitudmodulerad bärsignal.

Vid denna tidpunkt vet vi att modulering avser att avsiktligt modifiera en sinus så att den kan transportera lägre frekvensinformation från en sändare till en mottagare. Vi har också täckt många detaljer relaterade till de olika metoderna - amplitud, frekvens, fas, analog, digital - för kodningsinformation i en bärvåg.

Men det finns ingen anledning att integrera data i en överförd signal om vi inte kan extrahera data från den mottagna signalen, och det är därför vi måste studera demodulering. 

Demoduleringskretsar sträcker sig från något så enkelt som en modifierad toppdetektor till något så komplicerat som koherent kvadratur nedkonvertering i kombination med sofistikerade avkodningsalgoritmer utförda av en digital signalprocessor.

Skapa signal
Vi kommer att använda LTspice för att studera tekniker för demodulering av en AM-vågform. Men innan vi demodulerar behöver vi något som är modulerat.

På AM-moduleringssidan såg vi att fyra saker behövs för att generera en AM-vågform. Först behöver vi en basbandsvågform och en bärvågform. Sedan behöver vi en krets som kan lägga till en lämplig DC-offset till basbandssignalen. 

Och slutligen behöver vi en multiplikator, eftersom det matematiska förhållandet som motsvarar amplitudmodulering multiplicerar den förskjutna basbandssignalen med bäraren.

Följande LTspice-krets genererar en AM-vågform.

* V1 är en sinusvågspänningskälla på 1 MHz som ger den ursprungliga basbandssignalen.

* V3 producerar en sinusvåg på 100 MHz för bäraren.

* Op-amp-kretsen är en nivåförskjutare (den minskar också ingångsamplituden med hälften). Signalen som kommer från V1 är en sinusvåg som svänger från –1 V till +1 V, och utgången från op-amp är en sinusvåg som svänger från 0 V till +1 V.

* B1 är en "godtycklig beteendespänningskälla." Dess "värde" -fält är en formel snarare än en konstant; i detta fall är formeln den skiftade basbandssignalen multiplicerad med bärvågformen. På detta sätt kan Bl användas för att utföra amplitudmodulering.

Här är den skiftade basbandssignalen:

Och här kan du se hur AM-variationerna överensstämmer med basbandssignalen (dvs den orange spåret som mest döljs av den blå vågformen):

demodulering

Som diskuterats på AM-moduleringssidan har multiplikationsoperationen som används för att utföra amplitudmodulering effekten av att överföra basbandspektrumet till ett band som omger den positiva bärfrekvensen (+ fC) och den negativa bärfrekvensen (–fC). 

Således kan vi tänka på amplitudmodulering som att förskjuta det ursprungliga spektrumet uppåt med fC och nedåt med fC. Följaktligen följer att multiplicering av den modulerade signalen med bärfrekvensen kommer att överföra spektrumet tillbaka till sitt ursprungliga läge - dvs att det förskjuter spektrumet nedåt med fC så att det återigen är centrerat kring 0 Hz.

Alternativ 1: Multiplikation och filtrering
Följande LTspice-schema inkluderar en demodulering av godtycklig beteendespänningskälla; B2 multiplicerar AM-signalen med bäraren.

 

Och här är resultatet:

Detta ser definitivt inte riktigt ut. Om vi ​​zooma in ser vi följande:

Och detta avslöjar problemet. Efter amplitudmodulering är basbandspektrumet centrerat kring + fC. Genom att multiplicera AM-vågformen med bäraren förskjuts basbandspektrumet ned till 0 Hz, men det förskjuts också upp till 2fC (i detta fall 200 MHz), eftersom (som angivits ovan) multiplikation flyttar det befintliga spektrumet upp med fC och ned med fC .

Det är alltså klart att multiplikation ensam inte är tillräcklig för korrekt demodulering. Vad vi behöver är multiplikation och ett lågpassfilter; filtret undertrycker spektrumet som skiftades upp till 2fC. Följande schema inkluderar ett RC lågpassfilter med en avstängningsfrekvens på ~ 1.5 MHz.

Och här är den demodulerade signalen:

Denna teknik är faktiskt mer komplicerad än den verkar eftersom fasen i mottagarens bärfrekvensvågform måste synkroniseras med fasen för sändarens bärare. Detta diskuteras vidare på sidan 5 i detta kapitel (Understanding Quadrature Demodulation).

Alternativ 2: Toppdetektor

Som du kan se ovan i plottet som visar AM-vågformen (i blått) och den förskjutna basbandvågformen (i orange) matchar den positiva delen av AM-kuvertet basbandsignalen. 

Termen "kuvert" hänvisar till bärarens variationer i sinusformad amplitud (i motsats till variationerna i det momentana värdet på själva vågformen). Om vi ​​på något sätt kunde extrahera den positiva delen av AM-kuvertet, kan vi återge basbandssignalen utan att använda en multiplikator.

Det visar sig att det är ganska enkelt att konvertera det positiva kuvertet till en normal signal. Vi börjar med en toppdetektor, som bara är en diod följt av en kondensator. 

Dioden leder när insignalen är minst ~ 0.7 V över spänningen på kondensatorn, och annars fungerar den som en öppen krets. Således upprätthåller kondensatorn toppspänningen: om den nuvarande ingångsspänningen är lägre än kondensatorspänningen, minskar inte kondensatorens spänning eftersom den bakåtspända dioden förhindrar urladdning.

Vi vill dock inte ha en toppdetektor som behåller toppspänningen under en lång tid. I stället vill vi ha en krets som behåller toppen relativt högfrekvensvariationerna i bärvågformen, men inte behåller toppen relativt kuvertets lägre frekvensvariationer. Med andra ord, vi vill ha en toppdetektor som håller toppen endast under en kort tidsperiod. 

Vi åstadkommer detta genom att lägga till parallellt motstånd som gör att kondensatorn kan urladdas. (Denna typ av krets kallas en "läckande toppdetektor", där "läckande" avser utmatningsvägen som tillhandahålls av motståndet.) Motståndet väljs så att urladdningen är tillräckligt långsam för att jämna ut bärfrekvensen och tillräckligt snabb för att inte släta ut kuvertfrekvensen.

Här är ett exempel på en läckande toppdetektor för AM-demodulering:

Observera att jag har förstärkt AM-signalen med en faktor fem för att göra toppdetektorens insignal större i förhållande till diodens framspänning. Följande plott förmedlar det allmänna resultatet som vi försöker uppnå med den läckande toppdetektorn.

Den slutliga signalen visar den förväntade laddnings / urladdningskarakteristiken:




Ett lågpassfilter kan användas för att jämna ut dessa variationer.

Sammanfattning

* I LTspice kan en godtycklig beteendespänningskälla användas för att skapa en AM-vågform.

* AM-vågformer kan demoduleras med en multiplikator följt av ett lågpassfilter.

* En enklare (och billigare) metod är att använda en läckande toppdetektor, dvs en toppdetektor med parallellt motstånd som gör att kondensatorn kan urladdas med en lämplig hastighet.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC