Cum să demodulăm o formă de undă FM

Demodularea prin frecvență radio
Aflați mai multe despre două tehnici pentru recuperarea semnalului benzii de bază de la un purtător modulat cu frecvență.

Modulația de frecvență oferă performanțe îmbunătățite față de modularea de amplitudine, dar este ceva mai dificil să extrageți informațiile originale dintr-o formă de undă FM. Există câteva moduri diferite de a demodula FM; în această pagină vom discuta despre două. Unul dintre acestea este destul de simplu, iar celălalt este mai complex.

Crearea semnalului
Ca și în Cum să demodulăm o formă de undă AM, vom folosi LTspice pentru a explora demodularea FM, iar din nou trebuie să efectuăm mai întâi modularea frecvenței, astfel încât să avem ceva de demodulat. 

Dacă te uiți înapoi la pagina privind modularea frecvenței analogice, vei vedea că relația matematică este mai puțin simplă decât cea a modulării amplitudinii. 

Cu AM, am adăugat pur și simplu o compensare și apoi am efectuat înmulțirea obișnuită. Cu FM, trebuie să adăugăm valori care variază continuu la cantitatea din funcția sinusoidală (sau cosinus) și, în plus, aceste valori care variază continuu nu sunt semnalul benzii de bază, ci mai degrabă integrala semnalului de bandă de bază.

În consecință, nu putem genera o formă de undă FM folosind o sursă arbitrară de tensiune comportamentală și o relație matematică simplă, așa cum am făcut cu AM. Se pare însă că este de fapt mai ușor să generezi un semnal FM. Folosim pur și simplu opțiunea SFFM pentru o sursă normală de tensiune:

Următorul „circuit” este tot ce avem nevoie pentru crearea unei forme de undă FM constând dintr-un purtător de 10 MHz și un semnal de bandă sinusoidală de 1 MHz:




Rețineți că indicele de modulare este de cinci; un indice de modulație mai mare face mai ușor să observați variațiile de frecvență. Următoarea diagramă prezintă forma de undă creată de sursa de tensiune SFFM.

Demodulare: filtrul de trecere mare
Prima tehnică de demodulare la care vom analiza începe cu un filtru de trecere mare. Vom presupune că avem de-a face cu FM cu bandă îngustă. Trebuie să proiectăm filtrul de trecere mare, astfel încât atenuarea să varieze semnificativ într-o bandă de frecvență a cărei lățime este de două ori lățimea de bandă a semnalului benzii de bază. Să explorăm mai amănunțit acest concept

Semnalul FM primit va avea un spectru care este centrat în jurul frecvenței purtătorului. Lățimea spectrului este aproximativ egală cu dublul lățimii de bandă a semnalului benzii de bază; factorul a două rezultă din schimbarea frecvențelor pozitive și negative ale benzii de bază și este „aproximativ” egal deoarece integrarea aplicată semnalului de bandă de bază poate afecta forma spectrului modulat. 

Astfel, cea mai mică frecvență în semnalul modulat este aproximativ egală cu frecvența purtătoare, minus cea mai mare frecvență în semnalul benzii de bază, iar cea mai mare frecvență în semnalul modulat este aproximativ egală cu frecvența purtătoare, plus cea mai mare frecvență în semnalul benzii de bază.

Filtrul nostru de trecere mare trebuie să aibă un răspuns de frecvență care face ca frecvența cea mai mică din semnalul modulat să fie atenuată semnificativ mai mult decât cea mai mare frecvență în semnalul modulat. Dacă aplicăm acest filtru la o formă de undă FM, care va fi rezultatul? Va fi ceva de genul:

Acest grafic arată atât forma de undă FM originală, cât și forma de undă cu filtru mare trecător, în scopul comparației. Următoarea diagramă arată doar forma de undă filtrată, astfel încât să o puteți vedea mai clar.

Prin aplicarea filtrului, am transformat modularea frecvenței în modularea amplitudinii. Aceasta este o abordare convenabilă a demodulării FM, deoarece ne permite să beneficiem de circuite de anvelopă-detector care au fost dezvoltate pentru a fi utilizate cu modularea amplitudinii. Filtrul folosit pentru producerea acestei forme de undă nu a fost altceva decât un RC-pass-high cu o frecvență de întrerupere aproximativ egală cu frecvența purtătoare.

Zgomot de amplitudine

Simplitatea acestei scheme de demodulare ne face în mod firesc să credem că nu este opțiunea cu cea mai mare performanță și, de fapt, această abordare are o slăbiciune majoră: este sensibilă la variațiile de amplitudine. 

Semnalul transmis va avea un plic constant deoarece modularea frecvenței nu implică modificări ale amplitudinii purtătorului, dar semnalul primit nu va avea un plic constant, deoarece amplitudinea este inevitabil afectată de sursele de eroare.

În consecință, nu putem proiecta un demodulator FM acceptabil prin simpla adăugare a unui filtru high-pass la un demodulator AM. De asemenea, avem nevoie de un limitator, care este un circuit care atenuează variațiile de amplitudine prin restricționarea semnalului primit la o anumită amplitudine. 

Existența acestui remediu simplu și eficient pentru variațiile de amplitudine permite FM să-și păstreze robustețea mai mare (în comparație cu AM) împotriva zgomotului de amplitudine: nu putem folosi un limitator cu semnale AM, deoarece restricționarea amplitudinii corupe informațiile codate în purtător. FM, pe de altă parte, codifică toate informațiile din caracteristicile temporale ale semnalului transmis.

Demodulare: bucla blocată în fază
O buclă de blocare în fază (PLL) poate fi utilizată pentru a crea un circuit complex, dar de înaltă performanță, pentru demodularea FM. Un PLL poate „bloca” frecvența unei forme de undă primite. Face acest lucru prin combinarea unui detector de fază, a unui filtru cu trecere joasă (de asemenea, „filtru cu buclă”) și a unui oscilator controlat de tensiune (VCO) într-un sistem de feedback negativ, după cum urmează:

După ce PLL-ul s-a blocat, poate crea un sinusoid de ieșire care urmează variațiile de frecvență ale sinusoidului de intrare. Această formă de undă de ieșire ar fi preluată din producția VCO. 

Cu toate acestea, într-o aplicație de demodulator FM, nu avem nevoie de un sinusoid de ieșire care să aibă aceeași frecvență ca semnalul de intrare. În schimb, folosim ieșirea din filtrul buclă ca semnal demodulat. Să analizăm de ce este posibil acest lucru.

Detectorul de fază produce un semnal care este proporțional cu diferența de fază dintre forma de undă de intrare și ieșirea VCO. Filtrul cu buclă netezește acest semnal, care devine apoi semnalul de control pentru VCO. 

Astfel, dacă frecvența semnalului de intrare crește și scade constant, semnalul de control VCO trebuie să crească și să scadă în consecință pentru a se asigura că frecvența de ieșire VCO rămâne egală cu frecvența de intrare. Cu alte cuvinte, ieșirea filtrului cu buclă este un semnal ale cărui variații de amplitudine corespund variațiilor de intrare-frecvență. Așa se face că un PLL realizează demodularea frecvenței.

Rezumat

* În LTspice, un sinusoid modulat în frecvență poate fi generat folosind opțiunea SFFM pentru surse de tensiune standard.

* O tehnică simplă și eficientă de demodulare FM implică un filtru de trecere mare (pentru conversie FM-AM) urmată de un demodulator AM.

* Un demodulator FM bazat pe treceri mari este precedat de un limitator pentru a preveni variațiile de amplitudine să contribuie cu eroare la semnalul demodulat.

* Pentru a realiza demodularea FM de înaltă performanță, se poate utiliza o buclă blocată în fază. Utilizarea PLL-urilor cu circuit integrat face ca această abordare să fie mai puțin complexă decât ar putea părea.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje