Jak demodulovat křivku FM

Radiofrekvenční demodulace
Dozvíte se o dvou technikách pro získání signálu v základním pásmu od frekvenčně modulované nosné.

Frekvenční modulace nabízí lepší výkon oproti amplitudové modulaci, ale je o něco obtížnější extrahovat původní informace z vlnového průběhu FM. Existuje několik různých způsobů demodulace FM; na této stránce probereme dvě. Jeden z nich je zcela přímočarý a druhý je složitější.

Vytvoření signálu
Stejně jako v části Jak demodulovat AM vlnu, použijeme LTspice k prozkoumání demodulace FM a znovu musíme nejprve provést frekvenční modulaci, abychom měli co demodulovat. 

Pokud se podíváte zpět na stránku analogové frekvenční modulace, uvidíte, že matematický vztah je méně přímý než vztah amplitudové modulace. 

S AM jsme jednoduše přidali offset a poté provedli běžné násobení. U FM musíme přidat nepřetržitě se měnící hodnoty k množství uvnitř sinusové (nebo kosinové) funkce, a dále, tyto neustále se měnící hodnoty nejsou signálem v základním pásmu, ale spíše integrálem signálu v základním pásmu.

V důsledku toho nemůžeme vygenerovat křivku FM pomocí libovolného zdroje napětí v chování a jednoduchého matematického vztahu, jako jsme to dělali s AM. Ukázalo se však, že je ve skutečnosti snazší generovat signál FM. Pro normální zdroj napětí jednoduše používáme možnost SFFM:

Následující „obvod“ je vše, co potřebujeme pro vytvoření vlnového průběhu FM sestávajícího z 10 MHz nosiče a 1 MHz sinusového signálu v základním pásmu:




Všimněte si, že index modulace je pět; vyšší modulační index usnadňuje sledování změn frekvence. Následující graf ukazuje průběh vytvořený zdrojem napětí SFFM.

Demodulace: High-Pass Filter
První demodulační technika, na kterou se podíváme, začíná filtrem s vysokou propustností. Budeme předpokládat, že jednáme s úzkopásmovým FM. Musíme navrhnout horní propust tak, aby se útlum výrazně lišil v rámci frekvenčního pásma, jehož šířka je dvojnásobkem šířky pásma signálu v základním pásmu. Pojďme tento koncept prozkoumat důkladněji.

Přijatý signál FM bude mít spektrum, které je soustředěno kolem nosné frekvence. Šířka spektra je přibližně stejná jako dvojnásobek šířky pásma signálu v základním pásmu; faktor dva je výsledkem posunu kladných a záporných kmitočtů v základním pásmu a je „přibližně“ stejný, protože integrace aplikovaná na signál v základním pásmu může ovlivnit tvar modulovaného spektra. 

Takže nejnižší frekvence v modulovaném signálu je přibližně stejná jako nosná frekvence mínus nejvyšší frekvence v signálu v základním pásmu a nejvyšší frekvence v modulovaném signálu je přibližně stejná jako nosná frekvence plus nejvyšší frekvence v signálu v základním pásmu.

Náš horní propust musí mít frekvenční odezvu, která způsobí, že nejnižší frekvence v modulovaném signálu je zeslabena podstatně více než nejvyšší frekvence v modulovaném signálu. Pokud použijeme tento filtr na vlnovou křivku FM, jaký bude výsledek? Bude to něco takového:

Tento graf ukazuje jak původní vlnovou křivku FM, tak vysokofrekvenční vlnovou křivku pro účely srovnání. Následující graf ukazuje pouze filtrovaný průběh, takže je můžete vidět jasněji.

Použitím filtru jsme změnili frekvenční modulaci na amplitudovou modulaci. Toto je pohodlný přístup k demodulaci FM, protože nám umožňuje využívat obvody detektoru obálky, které byly vyvinuty pro použití s ​​amplitudovou modulací. Filtr používaný k vytvoření tohoto průběhu nebyl nic jiného než vysokofrekvenční signál RC s mezní frekvencí přibližně rovnou nosné frekvenci.

Amplitudový šum

Jednoduchost tohoto demodulačního schématu nás přirozeně nutí myslet si, že nejde o možnost s nejvyšším výkonem, a ve skutečnosti má tento přístup hlavní slabost: je citlivý na změny amplitudy. 

Vysílaný signál bude mít konstantní obálku, protože kmitočtová modulace nezahrnuje změny v amplitudě nosné, ale přijatý signál nebude mít konstantní obálku, protože amplituda je nevyhnutelně ovlivněna zdroji chyb.

V důsledku toho nemůžeme navrhnout přijatelný demodulátor FM jednoduše přidáním vysokopásmového filtru do AM demodulátoru. Potřebujeme také omezovač, což je obvod, který zmírňuje změny amplitud tím, že omezuje přijímaný signál na určitou amplitudu. 

Existence tohoto jednoduchého a účinného léku na změny amplitudy umožňuje FM zachovat si jeho větší (ve srovnání s AM) odolnost proti amplitudovému šumu: Nelze použít omezovač s AM signály, protože omezení amplitudy poškozuje informace kódované v nosné. FM naopak kóduje všechny informace v časových charakteristikách vysílaného signálu.

Demodulace: Fázově uzamčená smyčka
Fázově uzamčená smyčka (PLL) může být použita k vytvoření komplexního, ale vysoce výkonného obvodu pro demodulaci FM. PLL může „zamknout“ frekvenci příchozího průběhu. Děje se tak kombinací detektoru fáze, dolního propustného filtru (tzv. Smyčkový filtr) a napěťově řízeného oscilátoru (VCO) do systému negativní zpětné vazby takto:

Po uzamčení PLL může vytvořit výstupní sinusoid, který sleduje změny frekvence v příchozím sinusoidu. Tento výstupní průběh by byl převzat z výstupu VCO. 

V aplikaci FM demodulátoru však nepotřebujeme výstupní sinusoid, který má stejnou frekvenci jako vstupní signál. Místo toho použijeme výstup ze smyčkového filtru jako demodulovaný signál. Podívejme se, proč je to možné.

Fázový detektor vytváří signál, který je úměrný fázovému rozdílu mezi příchozím průběhem a výstupem VCO. Smyčkový filtr vyhladí tento signál, který se pak stane řídícím signálem pro VCO. 

Pokud tedy frekvence příchozího signálu neustále roste a klesá, řídicí signál VCO se musí odpovídajícím způsobem zvyšovat a snižovat, aby se zajistilo, že výstupní frekvence VCO zůstává stejná jako vstupní frekvence. Jinými slovy, výstupem smyčkového filtru je signál, jehož amplitudové variace odpovídají variacím vstupní frekvence. Tímto způsobem PLL provádí frekvenční demodulaci.

Shrnutí

* V LTspice může být sinusoid s modulovanou frekvencí generován pomocí možnosti SFFM pro standardní zdroje napětí.

* Jednoduchá a účinná technika demodulace FM zahrnuje vysokopásmový filtr (pro převod z FM na AM) následovaný AM demodulátorem.

* Před demodulátorem FM založeným na vysokofrekvenčním filtru předchází omezovač, který zabraňuje tomu, aby variace amplitudy přispívaly chybám k demodulovanému signálu.

* Fázově uzamčená smyčka může být použita k dosažení vysoce výkonné demodulace FM. Díky použití PLL s integrovanými obvody je tento přístup méně složitý, než by se mohlo zdát.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv