Як демодулювати форму хвилі FM

Радіочастотна демодуляція
Дізнайтеся про дві методики відновлення сигналу базової смуги з частотно-модульованого носія.

Частотна модуляція пропонує покращену продуктивність порівняно з амплітудною модуляцією, але витягнути оригінальну інформацію з форми хвилі FM дещо складніше. Існує кілька різних способів демодуляції ФМ; на цій сторінці ми обговоримо два. Один з них досить простий, а інший - більш складний.

Створення сигналу
Як і в "Як демодулювати форму AM хвилі", ми будемо використовувати LTspice для дослідження FM-демодуляції, і ще раз нам потрібно спершу виконати частотну модуляцію, щоб нам було що демодулювати. 

Якщо ви поглянете на сторінку про аналогову частотну модуляцію, то побачите, що математична залежність є менш простою, ніж амплітудна модуляція. 

За допомогою AM ми просто додали зміщення, а потім виконали звичайне множення. За допомогою FM нам потрібно додавати постійно змінюються значення до величини всередині синусоїди (або косинуса), і, крім того, ці постійно змінюються значення є не сигналом базової смуги, а швидше інтегралом сигналу базової смуги.

Отже, ми не можемо генерувати форму FM-хвилі, використовуючи довільне джерело поведінкової напруги та просте математичне співвідношення, як це було з AM. Однак виявляється, що насправді простіше генерувати FM-сигнал. Ми просто використовуємо параметр SFFM для нормального джерела напруги:

Наступна «схема» - це все, що нам потрібно для створення сигналу FM, що складається з 10 МГц носія та синусоїдального сигналу базової смуги частотою 1 МГц:




Зверніть увагу, що індекс модуляції становить п'ять; більш високий індекс модуляції полегшує бачити зміни частоти. Наступний графік показує форму хвилі, створену джерелом напруги SFFM.

Демодуляція: Високочастотний фільтр
Перша техніка демодуляції, яку ми розглянемо, починається з високопропускного фільтра. Ми припустимо, що ми маємо справу з вузькосмуговим FM. Нам потрібно сконструювати високочастотний фільтр таким чином, щоб ослаблення значно змінювалося в діапазоні частот, ширина якого вдвічі перевищує пропускну здатність сигналу базової смуги. Давайте докладніше вивчимо цю концепцію.

Прийнятий FM-сигнал буде мати спектр, який зосереджений навколо несучої частоти. Ширина спектра приблизно дорівнює подвоєній ширині смуги сигналу базової смуги; коефіцієнт двох є результатом зміщення позитивної та негативної частот базової смуги, і він "приблизно" рівний, оскільки інтеграція, застосована до сигналу базової смуги, може впливати на форму модульованого спектру. 

Таким чином, найнижча частота модульованого сигналу приблизно дорівнює несучій частоті мінус найвищій частоті в сигналі основної смуги, а найвища частота модульованого сигналу приблизно дорівнює частоті несучої плюс найвищій частоті в сигналі основної смуги.

Наш високочастотний фільтр повинен мати частотну характеристику, яка призводить до ослаблення найнижчої частоти модульованого сигналу значно більше, ніж найвища частота модульованого сигналу. Якщо застосувати цей фільтр до FM-хвилі, який буде результат? Це буде щось подібне:

Цей графік показує як оригінальну FM-хвилю, так і високопрохідну відфільтровану форму хвилі для цілей порівняння. Наступний сюжет показує лише відфільтровану форму хвилі, щоб ви могли побачити її більш чітко.

Застосувавши фільтр, ми перетворили частотну модуляцію в амплітудну модуляцію. Це зручний підхід до демодуляції FM, оскільки він дозволяє отримувати переваги від конверт-детекторної схеми, розробленої для використання з амплітудною модуляцією. Фільтр, використовуваний для створення цієї форми хвилі, був не що інше, як RC-прохідник з частотою відсічення, приблизно рівній несучій частоті.

Амплітудна шум

Простота цієї схеми демодуляції, природно, змушує нас думати, що це не найвища ефективність, і насправді такий підхід має головну слабкість: він чутливий до змін амплітуди. 

Переданий сигнал буде мати постійну огинаючу, оскільки частотна модуляція не передбачає змін амплітуди носія, але прийнятий сигнал не матиме постійної огинаючої, оскільки на амплітуду неминуче впливають джерела помилок.

Отже, ми не можемо спроектувати прийнятний демодулятор FM просто додавши високочастотний фільтр до демодулятора AM. Нам також потрібен обмежувач, який є ланцюгом, що пом’якшує коливання амплітуди, обмежуючи прийнятий сигнал певною амплітудою. 

Наявність цього простого та ефективного засобу для зміни амплітуди дозволяє FM зберігати свою більшу (порівняно з AM) стійкість до амплітудного шуму: ми не можемо використовувати обмежувач із сигналами АМ, оскільки обмеження амплітуди пошкоджує інформацію, закодовану на носії. FM, з іншого боку, кодує всю інформацію у часових характеристиках переданого сигналу.

Демодуляція: петля з фазою
Фазовий цикл (PLL) може бути використаний для створення складної, але високопродуктивної схеми для демодуляції ФМ. PLL може «зафіксувати» частоту вхідної форми хвилі. Це робиться, поєднуючи фазовий детектор, фільтр низьких частот (він же "фільтр циклу") і генератор, керований напругою (VCO), в систему негативних зворотних зв'язків, як описано нижче:

Після того, як PLL заблокований, він може створити вихідний синусоїд, який слід за варіаціями частоти вхідної синусоїди. Ця форма сигналу виводиться з виводу VCO. 

Однак у програмі FM-демодулятора нам не потрібен синусоїд на виході, який має ту ж частоту, що і вхідний сигнал. Замість цього ми використовуємо вихід із циклу фільтра як демодульований сигнал. Давайте розберемося, чому це можливо.

Фазовий детектор видає сигнал, пропорційний різниці фаз між вхідною формою хвилі та виходом VCO. Цифровий фільтр згладжує цей сигнал, який потім стає керуючим сигналом для VCO. 

Таким чином, якщо частота вхідного сигналу постійно збільшується і зменшується, сигнал управління VCO повинен відповідно збільшуватися і зменшуватися, щоб забезпечити, щоб вихідна частота VCO залишалася рівною вхідній частоті. Іншими словами, висновок контурного фільтра - це сигнал, амплітудні коливання якого відповідають варіаціям вхідних частот. Ось так PLL здійснює демодуляцію частоти.

Підсумки

* У LTspice частотно-модульований синусоїд можна генерувати за допомогою параметра SFFM для стандартних джерел напруги.

* Проста та ефективна методика демодуляції FM включає фільтр високої прохідності (для перетворення FM в AM) з наступним демодулятором AM.

* FM-демодулятору на основі високочастотного фільтра передує обмежувач, щоб запобігти різниці амплітуд від помилок, що сприяють демодульованому сигналу.

* Для досягнення високоефективної FM-демодуляції можна використовувати фазовий цикл. Використання PLL з інтегральною схемою робить цей підхід менш складним, ніж може здатися.

Залишити повідомлення 

список повідомлень