Hur man demodulerar en FM-vågform

Radiofrekvensdemodulering
Lär dig mer om två tekniker för att återställa basbandssignalen från en frekvensmodulerad bärare.

Frekvensmodulering erbjuder förbättrad prestanda jämfört med amplitudmodulering, men det är något svårare att extrahera den ursprungliga informationen från en FM-vågform. Det finns några olika sätt att demodulera FM; på den här sidan diskuterar vi två. En av dessa är ganska enkel, och den andra är mer komplex.

Skapa signal
Som i Hur man demodulerar en AM-vågform använder vi LTspice för att utforska FM-demodulering, och än en gång måste vi först utföra frekvensmodulering så att vi har något att demodulera. 

Om du tittar tillbaka på sidan om analog frekvensmodulering kommer du att se att det matematiska förhållandet är mindre enkelt än för amplitudmodulering. 

Med AM har vi helt enkelt lagt till en offset och sedan utfört vanlig multiplikation. Med FM måste vi lägga till kontinuerligt varierande värden till mängden inuti en sinus (eller kosinus) -funktion, och dessutom är dessa kontinuerligt varierande värden inte basbandssignalen utan snarare integralen i basbandssignalen.

Följaktligen kan vi inte generera en FM-vågform med hjälp av en godtycklig beteendespänningskälla och en enkel matematisk relation, som vi gjorde med AM. Det visar sig dock att det faktiskt är lättare att generera en FM-signal. Vi använder helt enkelt SFFM-alternativet för en normal spänningskälla:

Följande "krets" är allt vi behöver för att skapa en FM-vågform bestående av en 10 MHz-bärare och en sinusformad basbandsignal på 1 MHz:




Observera att moduleringsindex är fem; ett högre moduleringsindex gör det lättare att se frekvensvariationerna. Följande diagram visar vågformen skapad av SFFM-spänningskällan.

Demodulering: High-Pass-filtret
Den första demoduleringstekniken som vi tittar på börjar med ett högpassfilter. Vi antar att vi har att göra med smalband FM. Vi måste utforma högpassfiltret så att dämpningen kommer att variera avsevärt inom ett frekvensband vars bredd är dubbelt så mycket bandbredden för basbandssignalen. Låt oss utforska detta koncept mer noggrant.

Den mottagna FM-signalen kommer att ha ett spektrum som är centrerat kring bärfrekvensen. Spektrumets bredd är ungefär lika med dubbelt så mycket bandbredd som basbandssignalen; faktorn för två resultat från förskjutningen av de positiva och negativa basbandfrekvenserna, och den är "ungefär" lika eftersom integrationen som tillämpas på basbandssignalen kan påverka formen på det modulerade spektrumet. 

Således är den lägsta frekvensen i den modulerade signalen ungefär lika med bärfrekvensen minus den högsta frekvensen i basbandssignalen, och den högsta frekvensen i den modulerade signalen är ungefär lika med bärfrekvensen plus den högsta frekvensen i basbandssignalen.

Vårt högpassfilter måste ha ett frekvenssvar som gör att den lägsta frekvensen i den modulerade signalen dämpas betydligt mer än den högsta frekvensen i den modulerade signalen. Om vi ​​använder detta filter på en FM-vågform, vad blir resultatet? Det kommer att vara något så här:

Detta diagram visar både den ursprungliga FM-vågformen och den högpassfiltrerade vågformen för jämförelse. Nästa plot visar bara den filtrerade vågformen, så att du kan se den tydligare.

Genom att använda filtret har vi förvandlat frekvensmodulering till amplitudmodulering. Detta är ett bekvämt tillvägagångssätt för FM-demodulering, eftersom det gör att vi kan dra nytta av kuvertdetektorkretsar som har utvecklats för användning med amplitudmodulering. Filtret som användes för att producera denna vågform var inget annat än en RC-högpass med en avstängningsfrekvens ungefär lika med bärfrekvensen.

Amplitude Buller

Enkelheten med detta demoduleringsschema får oss naturligtvis att tro att det inte är alternativet med högsta prestanda, och faktiskt har denna metod en stor svaghet: det är känsligt för amplitudvariationer. 

Den överförda signalen kommer att ha ett konstant hölje eftersom frekvensmodulering inte involverar förändringar av bärarens amplitud, men den mottagna signalen kommer inte att ha ett konstant kuvert eftersom amplituden oundvikligen påverkas av felkällor.

Följaktligen kan vi inte utforma en acceptabel FM-demodulator helt enkelt genom att lägga till ett högpassfilter till en AM-demodulator. Vi behöver också en begränsare, som är en krets som minskar amplitudvariationer genom att begränsa den mottagna signalen till en viss amplitud. 

Förekomsten av detta enkla och effektiva botemedel mot amplitudvariationer gör att FM kan behålla sin större (jämfört med AM) robusthet mot amplitudbrus: Vi kan inte använda en begränsare med AM-signaler eftersom begränsning av amplituden skadar informationen som kodas i bäraren. FM, å andra sidan, kodar all information i de temporära egenskaperna hos den överförda signalen.

Demodulering: Den faslåsta slingan
En faslåst slinga (PLL) kan användas för att skapa en komplex men högpresterande krets för FM-demodulering. En PLL kan "låsa fast" frekvensen för en inkommande vågform. Det gör detta genom att kombinera en fasdetektor, ett lågpassfilter (alias "loopfilter") och en spänningsstyrd oscillator (VCO) till ett negativt feedback-system, enligt följande:

När PLL har låsts kan den skapa en utgående sinus som följer frekvensvariationer i den inkommande sinus. Denna utgångsvågform skulle tas från utgången från VCO. 

I en FM-demodulatorapplikation behöver vi emellertid inte en utgående sinusoid som har samma frekvens som insignalen. Istället använder vi utgången från slingfiltret som en demodulerad signal. Låt oss titta på varför detta är möjligt.

Fasdetektorn producerar en signal som är proportionell mot fasskillnaden mellan den inkommande vågformen och VCO: s utgång. Loopfiltret jämnar upp denna signal, som sedan blir styrsignalen för VCO. 

Om frekvensen för den inkommande signalen ständigt ökar och minskar måste VCO-styrsignalen öka och minska i enlighet med detta för att säkerställa att VCO-utgångsfrekvensen förblir lika med ingångsfrekvensen. Med andra ord är utgången från slingfiltret en signal vars amplitudvariationer motsvarar ingångsfrekvensvariationerna. Så här utför en PLL frekvensdemodulering.

Sammanfattning

* I LTspice kan en frekvensmodulerad sinusoid genereras med SFFM-alternativet för standardspänningskällor.

* En enkel och effektiv FM-demoduleringsteknik innefattar ett högpassfilter (för FM-till-AM-omvandling) följt av en AM-demodulator.

* En högpassfilterbaserad FM-demodulator föregås av en begränsare för att förhindra amplitudvariationer från att bidra med fel till den demodulerade signalen.

* En faslåst slinga kan användas för att uppnå högpresterande FM-demodulering. Användningen av PLL med integrerade kretsar gör detta tillvägagångssätt mindre komplicerat än det kan verka.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC