Sådan demoduleres en FM-bølgeform

Radiofrekvensdemodulation
Lær om to teknikker til at gendanne basebandsignalet fra en frekvensmoduleret bærer.

Frekvensmodulation tilbyder forbedret ydelse i forhold til amplitudemodulation, men det er noget vanskeligere at udtrække de originale oplysninger fra en FM-bølgeform. Der er et par forskellige måder at demodulere FM på; på denne side diskuterer vi to. En af disse er ganske ligetil, og den anden er mere kompleks.

Oprettelse af signalet
Som i Sådan demoduleres en AM Waveform, bruger vi LTspice til at udforske FM-demodulation, og igen skal vi først udføre frekvensmodulering, så vi har noget at demodulere. 

Hvis du ser tilbage på siden om analog frekvensmodulering, vil du se, at det matematiske forhold er mindre ligetil end amplitudemodulation. 

Med AM tilføjede vi blot en forskydning og udførte derefter almindelig multiplikation. Med FM er vi nødt til at tilføje kontinuerligt varierende værdier til mængden inde i en sinus (eller cosinus) -funktion, og desuden er disse kontinuerligt varierende værdier ikke basisbåndssignalet, men snarere integralet af basisbåndsignalet.

Derfor kan vi ikke generere en FM-bølgeform ved hjælp af en vilkårlig adfærdsspændingskilde og et simpelt matematisk forhold, som vi gjorde med AM. Det viser sig imidlertid, at det faktisk er lettere at generere et FM-signal. Vi bruger simpelthen SFFM-indstillingen til en normal spændingskilde:

Følgende "kredsløb" er alt, hvad vi har brug for for at skabe en FM-bølgeform bestående af en 10 MHz bærer og et 1 MHz sinusformet basebandsignal:




Bemærk, at moduleringsindekset er fem; et højere moduleringsindeks gør det lettere at se frekvensvariationerne. Følgende plot viser den bølgeform, der er oprettet af SFFM-spændingskilden.

Demodulation: High-Pass-filteret
Den første demodulationsteknik, som vi ser på, begynder med et højpasfilter. Vi antager, at vi har at gøre med smalbånd FM. Vi er nødt til at designe højpasfilteret, så dæmpningen vil variere markant inden for et frekvensbånd, hvis bredde er dobbelt så stor som båndbredden for basebåndssignalet. Lad os udforske dette koncept mere grundigt.

Det modtagne FM-signal vil have et spektrum, der er centreret omkring transportfrekvensen. Spektrets bredde er tilnærmelsesvis lig med dobbelt så stor båndbredde for basebåndssignalet; faktoren to skyldes forskydningen af ​​de positive og negative basebandfrekvenser, og den er “omtrent” lige, fordi integrationen, der anvendes til basebandsignalet, kan påvirke formen på det modulerede spektrum. 

Den laveste frekvens i det modulerede signal er således omtrent lig med bærefrekvensen minus den højeste frekvens i basebandsignalet, og den højeste frekvens i det modulerede signal er omtrent lig med bærefrekvensen plus den højeste frekvens i basisbåndssignalet.

Vores højpasfilter skal have en frekvensrespons, der får den laveste frekvens i det modulerede signal til at dæmpes væsentligt mere end den højeste frekvens i det modulerede signal. Hvis vi anvender dette filter på en FM-bølgeform, hvad bliver resultatet? Det vil være sådan som dette:

Dette plot viser både den originale FM-bølgeform og den højpas-filtrerede bølgeform til sammenligning. Den næste plot viser bare den filtrerede bølgeform, så du kan se den mere tydeligt.

Ved at anvende filteret har vi forvandlet frekvensmodulering til amplitudemodulation. Dette er en bekvem tilgang til FM-demodulation, fordi det giver os mulighed for at drage fordel af konvolutdetektor-kredsløb, der er udviklet til brug med amplitude-modulation. Det filter, der blev brugt til at fremstille denne bølgeform, var intet andet end en RC-højpas med en afskæringsfrekvens tilnærmelsesvis lig med bærefrekvensen.

Amplitude støj

Enkelheden med dette demodulationsskema får os naturligvis til at tro, at det ikke er den højeste ydeevne, og faktisk har denne tilgang en stor svaghed: Den er følsom over for amplitudevariationer. 

Det transmitterede signal vil have en konstant konvolut, fordi frekvensmodulation ikke involverer ændringer i amplituden af ​​bæreren, men det modtagne signal vil ikke have en konstant konvolut, fordi amplituden uundgåeligt påvirkes af fejlkilder.

Derfor kan vi ikke designe en acceptabel FM-demodulator blot ved at tilføje et high-pass-filter til en AM-demodulator. Vi har også brug for en begrænser, som er et kredsløb, der mindsker amplitudevariationer ved at begrænse det modtagne signal til en bestemt amplitude. 

Eksistensen af ​​dette enkle og effektive middel til amplitudevariationer gør det muligt for FM at opretholde sin større (sammenlignet med AM) robusthed mod amplitudestøj: Vi kan ikke bruge en begrænser med AM-signaler, fordi begrænsning af amplituden ødelægger informationen, der er kodet i transportøren. FM på den anden side koder for al informationen i de tidsmæssige egenskaber ved det transmitterede signal.

Demodulation: Den faselåste sløjfe
En faselåst loop (PLL) kan bruges til at skabe et komplekst, men højtydende kredsløb til FM-demodulation. En PLL kan “låse fast” frekvensen for en indgående bølgeform. Det gør dette ved at kombinere en fasedetektor, et lavpasfilter (alias “loopfilter”) og en spændingsstyret oscillator (VCO) til et negativt feedback-system som følger:

Når PLL er låst, kan det oprette en output-sinus, der følger frekvensvariationer i den indkommende sinus. Denne outputbølgeform ville blive taget fra output af VCO. 

I en FM-demodulator-applikation har vi dog ikke brug for en output-sinusformet, der har samme frekvens som indgangssignalet. I stedet bruger vi output fra loopfilteret som et demoduleret signal. Lad os se på, hvorfor det er muligt.

Fasedetektoren frembringer et signal, der er proportionalt med faseforskellen mellem den indkommende bølgeform og udgangen fra VCO. Sløjfefilteret udjævner dette signal, der derefter bliver styresignalet for VCO. 

Såfremt frekvensen af ​​det indkommende signal konstant øges og falder, skal VCO-styresignalet stige og falde i overensstemmelse hermed for at sikre, at VCO-udgangsfrekvensen forbliver lig med indgangsfrekvensen. Med andre ord er output fra loopfilteret et signal, hvis amplitudevariationer svarer til inputfrekvensvariationerne. Sådan udfører en PLL frekvensdemodulation.

Resumé

* I LTspice kan en frekvensmoduleret sinusform genereres ved hjælp af indstillingen SFFM til standard spændingskilder.

* En enkel og effektiv FM-demodulationsteknik involverer et high-pass-filter (til FM-til-AM-konvertering) efterfulgt af en AM-demodulator.

* En højpas-filterbaseret FM-demodulator er forudgående af en begrænser for at forhindre amplitudevariationer fra at bidrage med fejl til det demodulerede signal.

* En faselåst loop kan bruges til at opnå højtydende FM-demodulation. Brugen af ​​PLL'er med integreret kredsløb gør denne tilgang mindre kompliceret, end den måske synes.

Læg en besked 

Message List