Kako demoduliramo FM-val

Demodulacija radijske frekvence
Spoznajte dve tehniki za obnovitev baznega signala s frekvenčno moduliranega nosilca.

Frekvenčna modulacija ponuja izboljšano zmogljivost v primerjavi z amplitudno modulacijo, nekoliko težje pa je izvleči izvirne informacije iz FM-valovne oblike. Obstaja nekaj različnih načinov demodulacije FM; na tej strani bomo razpravljali o dveh. Eden od teh je precej preprost, drugi pa bolj zapleten.

Ustvarjanje signala
Tako kot v Kako demodulirati AM valovno obliko bomo tudi mi uporabili LTspice za raziskovanje demodulacije FM in še enkrat moramo najprej izvesti frekvenčno modulacijo, da bomo imeli kaj demodulirati. 

Če pogledate nazaj na analogno frekvenčno modulacijo, boste videli, da je matematični odnos manj enostaven kot odnos z amplitudno modulacijo. 

Z AM smo preprosto dodali odmik in nato izvedli navadno množenje. S FM moramo količini znotraj sinusne (ali kosinusove) funkcije dodati nenehno različne vrednosti, poleg tega pa te nenehno spreminjajoče se vrednosti niso signal pasovnega pasu, temveč sestavni del signala osnovnega pasu.

Posledično ne moremo generirati FM-valne oblike z uporabo poljubnega vedenjskega napetostnega vira in preprostega matematičnega razmerja, kot smo to storili z AM. Vendar se izkaže, da je dejansko lažje generirati FM signal. Preprosto uporabimo možnost SFFM za običajen vir napetosti:

Naslednji „vezje“ je vse, kar potrebujemo za ustvarjanje FM valovne oblike, sestavljene iz 10 MHz nosilca in 1 MHz sinusoidnega osnovnega pasu:




Upoštevajte, da je indeks modulacije pet; višji indeks modulacije olajša opazovanje sprememb frekvenc. Naslednja shema prikazuje valovno obliko, ki jo je ustvaril vir napetosti SFFM.

Demodulacija: visokofrekvenčni filter
Prva tehnika demodulacije, ki si jo bomo ogledali, se začne s filtrom z visokim prehodom. Domnevali bomo, da imamo opravka z ozkopasovnim FM. Morate oblikovati visokofrekvenčni filter tako, da se bo oslabitev občutno razlikovala v frekvenčnem pasu, katerega širina je dvakrat večja od pasovne širine signala v osnovnem pasu. Preučimo ta koncept podrobneje.

Prejeti FM signal ima spekter, ki je osredotočen okoli nosilne frekvence. Širina spektra je približno enaka dvakratni pasovni širini signala osnovnega pasu; faktor dveh je posledica premika pozitivnih in negativnih frekvenc baznega pasu in je "približno" enak, ker integracija, uporabljena za signal baznega pasu, lahko vpliva na obliko moduliranega spektra. 

Tako je najnižja frekvenca moduliranega signala približno enaka nosilni frekvenci minus najvišja frekvenca v signalu osnovnega pasu, najvišja frekvenca moduliranega signala pa je približno enaka nosilni frekvenci plus najvišji frekvenci v signalu osnovnega pasu.

Naš visokofrekvenčni filter mora imeti frekvenčni odziv, ki povzroči, da je najnižja frekvenca moduliranega signala oslabljena bistveno več kot najvišja frekvenca moduliranega signala. Če uporabimo ta filter na FM valovni obliki, kakšen bo rezultat? Zgodilo se bo nekako takole:

Ta načrt prikazuje tako prvotno FM-valno obliko kot visokofrekvenčno filtrirano valovno obliko, za primerjavo. Naslednja ploskev prikazuje samo filtrirano valovno obliko, tako da jo boste lažje videli.

Z uporabo filtra smo frekvenčno modulacijo spremenili v amplitudno modulacijo. To je priročen pristop k demodulaciji FM, saj nam omogoča, da izkoristimo vezje detektorskih ovojnic, ki je bilo razvito za uporabo z amplitudno modulacijo. Filter, ki je bil uporabljen za izdelavo te valovne oblike, ni bil nič drugega kot RC-visoki prehod s presečno frekvenco, približno enako nosilni frekvenci.

Amplituda hrup

Enostavnost te sheme demodulacije nam seveda daje misel, da ne gre za najzmogljivejšo možnost, in pravzaprav ima ta pristop veliko pomanjkljivost: občutljiv je na razlike v amplitudi. 

Preneseni signal bo imel konstantno ovojnico, ker frekvenčna modulacija ne vključuje sprememb amplitude nosilca, vendar prejeti signal ne bo imel stalne ovojnice, ker na amplitudo neizogibno vplivajo viri napak.

Zato ne moremo zasnovati sprejemljivega FM demodulatorja preprosto z dodajanjem visokoprepustnega filtra v AM demodulator. Potrebujemo tudi omejevalnik, to je vezje, ki blaži spremembe amplitude z omejevanjem prejetega signala na določeno amplitudo. 

Obstoj tega preprostega in učinkovitega sredstva za spremembe amplitude omogoča FM, da ohrani svojo večjo (v primerjavi z AM) robustnostjo proti amplitudnemu šumu: Omejevalnika s signali AM ne moremo uporabiti, ker omejevanje amplitude poškoduje informacije, kodirane v nosilcu. FM na drugi strani kodira vse informacije v časovnih značilnostih oddanega signala.

Demodulacija: Fazno zaklenjena zanka
Fazno zaklenjena zanka (PLL) se lahko uporablja za ustvarjanje zapletenega, vendar visokozmogljivega vezja za demodulacijo FM. PLL lahko "zaklene" frekvenco dohodne valovne oblike. To stori tako, da v sistem z negativnimi povratnimi informacijami združuje fazni detektor, nizkofrekvenčni filter (aka "zančni filter") in napetostno vodeni oscilator (VCO):

Ko se PLL zaklene, lahko ustvari izhodni sinusoid, ki sledi frekvenčnim spremembam v dohodnem sinusoidu. Ta izhodna valovna oblika se vzame iz izhoda VCO. 

V FM-demodulatorski aplikaciji pa ne potrebujemo izhodnega sinusoida, ki ima enako frekvenco kot vhodni signal. Namesto tega izhod iz zančnega filtra uporabimo kot demoduliran signal. Poglejmo, zakaj je to mogoče.

Fazni detektor odda signal, ki je sorazmeren fazni razliki med vhodno valovno obliko in izhodom VCO. Zank filter zgladi ta signal, ki nato postane krmilni signal za VCO. 

Če se torej frekvenca dohodnega signala nenehno povečuje in zmanjšuje, se mora krmilni signal VCO ustrezno povečati in zmanjšati, da se zagotovi, da izhodna frekvenca VCO ostane enaka vhodni frekvenci. Z drugimi besedami, izhod filtra zanke je signal, katerega amplitudne razlike ustrezajo spremembam vhodne frekvence. Tako PLL izvede frekvenčno demodulacijo.

Povzetek

* V LTspice lahko frekvenčno moduliran sinusoid ustvarite z uporabo možnosti SFFM za standardne napetostne vire.

* Preprosta in učinkovita tehnika demodulacije FM vključuje visokofrekvenčni filter (za pretvorbo FM v AM), ki mu sledi AM demodulator.

* FM-demodulator z visoko-prehodnim filtrom je pred omejevalnikom, ki preprečuje, da bi razlike v amplitudi prispevale k napaki demoduliranega signala.

* Za doseganje visokozmogljive FM-demodulacije lahko uporabite fazno zaklenjeno zanko. Zaradi uporabe PLL-ov z integriranim vezjem je ta pristop manj kompleksen, kot se morda zdi.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo