FM hullámforma demodulálása

Rádiófrekvencia-demoduláció
Ismerje meg az alapsávú jel frekvenciamodulált vivőből történő visszanyerésének két módszerét.

A frekvenciamoduláció jobb teljesítményt nyújt az amplitúdómodulációval szemben, de az eredeti információ kinyerése egy FM hullámformából valamivel nehezebb. Az FM demodulációjának néhány különféle módja van; ezen az oldalon kettőt tárgyalunk. Ezek egyike meglehetősen egyszerű, a másik pedig összetettebb.

A jel létrehozása
Ahogyan az AM hullámforma demodulálása című fejezetben, az LTspice programot használjuk az FM demoduláció feltárására, és ismét először meg kell végeznünk a frekvenciamodulációt, hogy van valami demodulálható. 

Ha visszatekintünk az analóg frekvencia moduláció oldalára, látni fogjuk, hogy a matematikai kapcsolat kevésbé egyértelmű, mint az amplitúdó modulációé. 

Az AM-vel egyszerűen hozzáadtunk egy eltolást, majd elvégeztük a szokásos szorzást. Az FM-vel folyamatosan változó értékeket kell hozzáadni a szinusz (vagy koszinusz) funkció belsejében lévő mennyiséghez, továbbá ezek a folyamatosan változó értékek nem az alapsávú jel, hanem az alapsávú jel integrált elemei.

Következésképpen nem állíthatunk elő FM hullámformát egy önkényes viselkedési feszültségforrás és egyszerű matematikai kapcsolat felhasználásával, amint az AM-vel tettem. Kiderül, hogy valójában könnyebb FM jelet generálni. Egyszerűen az SFFM opciót használjuk egy normál feszültségforráshoz:

A következő „áramkör” minden, amire szükségünk van egy 10 MHz-es vivőből és 1 MHz-es szinuszos alapú sávból álló FM hullámforma létrehozásához:




Vegye figyelembe, hogy a modulációs index öt; a magasabb modulációs index megkönnyíti a frekvenciaváltozások észlelését. A következő ábra az SFFM feszültségforrás által létrehozott hullámformát mutatja.

Demoduláció: High-Pass szűrő
Az első demodulációs technika, amelyet megvizsgálunk, egy nagyáteresztő szűrővel kezdődik. Feltételezzük, hogy keskeny sávú FM-vel foglalkozunk. A nagysebességű szűrőt úgy kell megtervezni, hogy a csillapítás jelentősen eltérjen egy olyan frekvenciasávban, amelynek szélessége kétszerese az alapsávú jel sávszélességének. Vizsgáljuk meg alaposabban ezt a koncepciót.

A vett FM jel spektruma a vivőfrekvencia köré összpontosul. A spektrum szélessége megközelítőleg megegyezik az alapsávú jel sávszélességének kétszeresével; a két tényező a pozitív és a negatív alapsáv frekvenciáinak eltolódásából származik, és „megközelítőleg” egyenlő, mivel az alap sáv jelére alkalmazott integráció hatással lehet a modulált spektrum alakjára. 

Tehát a modulált jelben a legalacsonyabb frekvencia megközelítőleg megegyezik a vivőfrekvenciával, mínusz az alapsávú jel legmagasabb frekvenciája, és a modulált jelben a legmagasabb frekvencia megközelítőleg egyenlő a vivőfrekvenciával és az alapsávú jel legnagyobb frekvenciájával.

A nagy áteresztőképességű szűrőnknek olyan frekvenciaválaszra van szüksége, amely a modulált jel legalacsonyabb frekvenciáját szignifikánsan gyengíti, mint a modulált jel legmagasabb frekvenciája. Ha ezt a szűrőt alkalmazzuk egy FM hullámformára, mi lesz az eredmény? Valami ilyen lesz:

Ez a grafikon mind az eredeti FM hullámformát, mind a nagysebességű szűrésű hullámformát mutatja az összehasonlítás céljából. A következő ábra csak a szűrt hullámformát mutatja, hogy tisztábban láthassa.

A szűrő alkalmazásával a frekvenciamodulációt amplitúdómodulációvá alakítottuk. Ez egy kényelmes megközelítés az FM demodulációhoz, mivel lehetővé teszi számunkra, hogy kihasználhassuk az amplitúdó modulációval történő használatra kifejlesztett borítékdetektor áramkört. Az ennek a hullámformanak a előállításához használt szűrő nem más, mint egy RC magasáteresztő képesség, amelynek határfrekvenciája megközelítőleg megegyezik a vivőfrekvenciával.

Amplitúdó zaja

A demodulációs séma egyszerűsítése természetesen arra készteti magunkat, hogy ez nem a legjobban teljesítő lehetőség, és valójában ennek a megközelítésnek van egy fő gyengesége: érzékeny az amplitúdóváltozásokra. 

Az átvitt jelnek állandó boríték lesz, mivel a frekvenciamoduláció nem vonja maga után a vivő amplitúdójának megváltozását, de a vett jelnek nem lesz állandó borítéka, mivel az amplitúdót elkerülhetetlenül befolyásolják a hibaforrások.

Következésképpen nem tervezhetünk elfogadható FM-demodulátort egyszerűen azáltal, hogy hozzáadunk egy nagyáteresztő szűrőt egy AM-demodulátorhoz. Szükségünk van egy korlátozóra is, amely egy olyan áramkör, amely enyhíti az amplitúdóváltozásokat azáltal, hogy a vett jelet egy bizonyos amplitúdóra korlátozza. 

Az amplitúdóváltozásokra vonatkozó egyszerű és hatékony orvoslás megléte lehetővé teszi az FM számára az amplitúdózaj elleni nagyobb (az AM-hez viszonyítva) robusztusságának fenntartását: Nem használhatunk korlátozót AM jelekkel, mert az amplitúdó korlátozása rontja a hordozóban kódolt információkat. Az FM viszont az összes információt kódolja a továbbított jel időbeli jellemzőiben.

Demoduláció: A fázis zárva
A fázis zárolt hurok (PLL) felhasználható egy összetett, de nagy teljesítményű áramkör létrehozására az FM demodulációhoz. A PLL „rögzítheti” a bejövő hullámforma frekvenciáját. Ezt úgy hajtja végre, hogy egy fázisdetektorot, egy aluláteresztő szűrőt (más néven “hurokszűrőt”) és egy feszültségvezérelt oszcillátort (VCO) kombinál egy negatív visszacsatoló rendszerbe, az alábbiak szerint:

A PLL zárolása után létrehozhat egy kimeneti szinuszos szintet, amely követi a bejövő szinusz frekvenciaváltozásait. Ezt a kimeneti hullámformát a VCO kimenetéből kell venni. 

Az FM-demodulátor alkalmazásokban azonban nincs szükségünk a kimeneti szinuszos frekvencia azonos frekvenciájával, mint a bemeneti jel. Ehelyett a hurokszűrő kimenetét használjuk demodulált jelként. Nézzük meg, miért lehetséges ez.

A fázisdetektor olyan jelet állít elő, amely arányos a bejövő hullámforma és a VCO kimenete közötti fáziskülönbséggel. A hurokszűrő simítja ezt a jelet, amely azután a VCO vezérlőjelévé válik. 

Tehát, ha a bejövő jel frekvenciája folyamatosan növekszik és csökken, akkor a VCO vezérlőjelnek ennek megfelelően növekednie és csökkennie kell annak biztosítása érdekében, hogy a VCO kimeneti frekvenciája megegyezzen a bemeneti frekvenciával. Más szavakkal, a hurokszűrő kimenete egy olyan jel, amelynek amplitúdóváltozása megfelel a bemeneti frekvencia variációinak. Így hajtja végre a PLL a frekvencia demodulációt.

Összegzésként

* Az LTspice-ben frekvenciamodulált szinuszos generálható az SFFM opció használatával a normál feszültségforrásokhoz.

* Az egyszerű és hatékony FM-demodulációs technika magában foglalja a magasáteresztő szűrőt (az FM-AM-AM átalakításhoz), majd egy AM-demodulátort.

* A nagysebességű szűrőn alapuló FM-demodulátort egy korlátozó előzi meg, hogy megakadályozzák az amplitúdóváltozásokat, amelyek hozzájárulnak a demodulált jel hibájához.

* A fázis zárolt hurok használható a nagy teljesítményű FM demodulációhoz. Az integrált áramkörű PLL-ek használata ezt a megközelítést kevésbé bonyolulttá teszi, mint amilyennek látszik.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista