Demodulieren einer AM-Wellenform

Hochfrequenzdemodulation
Erfahren Sie mehr über zwei Schaltkreise, die die Originalinformationen aus einem amplitudenmodulierten Trägersignal extrahieren können.

An diesem Punkt wissen wir, dass Modulation das absichtliche Modifizieren einer Sinuskurve so bedeutet, dass sie niederfrequente Informationen von einem Sender zu einem Empfänger übertragen kann. Wir haben auch viele Details im Zusammenhang mit den verschiedenen Methoden - Amplitude, Frequenz, Phase, Analog, Digital - zum Codieren von Informationen in einer Trägerwelle behandelt.

Es gibt jedoch keinen Grund, Daten in ein übertragenes Signal zu integrieren, wenn wir diese Daten nicht aus dem empfangenen Signal extrahieren können. Deshalb müssen wir die Demodulation untersuchen. 

Die Demodulationsschaltung reicht von etwas so Einfachem wie einem modifizierten Spitzendetektor bis zu etwas so Komplexem wie einer kohärenten Quadratur-Abwärtskonvertierung in Kombination mit ausgeklügelten Decodierungsalgorithmen, die von einem digitalen Signalprozessor ausgeführt werden.

Signal erstellen
Wir werden LTspice verwenden, um Techniken zur Demodulation einer AM-Wellenform zu untersuchen. Aber bevor wir demodulieren, brauchen wir etwas, das moduliert ist.

Auf der AM-Modulationsseite haben wir gesehen, dass vier Dinge erforderlich sind, um eine AM-Wellenform zu erzeugen. Erstens benötigen wir eine Basisbandwellenform und eine Trägerwellenform. Dann brauchen wir eine Schaltung, die dem Basisbandsignal einen geeigneten Gleichstromversatz hinzufügen kann. 

Und schließlich brauchen wir einen Multiplikator, da die der Amplitudenmodulation entsprechende mathematische Beziehung das verschobene Basisbandsignal mit dem Träger multipliziert.

Die folgende LTspice-Schaltung erzeugt eine AM-Wellenform.

* V1 ist eine 1-MHz-Sinusspannungsquelle, die das ursprüngliche Basisbandsignal liefert.

* V3 erzeugt eine 100-MHz-Sinuswelle für den Träger.

* Die Operationsverstärkerschaltung ist ein Pegelumsetzer (sie reduziert auch die Eingangsamplitude um die Hälfte). Das von V1 kommende Signal ist eine Sinuswelle, die von –1 V auf +1 V schwingt, und der Ausgang des Operationsverstärkers ist eine Sinuswelle, die von 0 V auf +1 V schwingt.

* B1 ist eine "willkürliche Verhaltensspannungsquelle". Das Feld "Wert" ist eher eine Formel als eine Konstante. In diesem Fall ist die Formel das verschobene Basisbandsignal multipliziert mit der Trägerwellenform. Auf diese Weise kann B1 verwendet werden, um eine Amplitudenmodulation durchzuführen.

Hier ist das verschobene Basisbandsignal:

Und hier können Sie sehen, wie die AM-Variationen dem Basisbandsignal entsprechen (dh der orangefarbenen Spur, die größtenteils durch die blaue Wellenform verdeckt wird):

Demodulation

Wie auf der Seite AM-Modulation erläutert, bewirkt die zur Durchführung der Amplitudenmodulation verwendete Multiplikationsoperation, dass das Basisbandspektrum auf ein Band übertragen wird, das die positive Trägerfrequenz (+ fC) und die negative Trägerfrequenz (–fC) umgibt. 

Wir können uns daher vorstellen, dass die Amplitudenmodulation das ursprüngliche Spektrum um fC nach oben und um fC nach unten verschiebt. Daraus folgt, dass das Multiplizieren des modulierten Signals mit der Trägerfrequenz das Spektrum zurück in seine ursprüngliche Position überträgt, dh das Spektrum um fC nach unten verschiebt, so dass es wieder um 0 Hz zentriert ist.

Option 1: Multiplikation und Filterung
Das folgende LTspice-Schema enthält eine demodulierende beliebige Verhaltensspannungsquelle; B2 multipliziert das AM-Signal mit dem Träger.

 

Und hier ist das Ergebnis:

Das sieht definitiv nicht richtig aus. Wenn wir zoomen, sehen wir Folgendes:

Und das zeigt das Problem. Nach der Amplitudenmodulation ist das Basisbandspektrum um + fC zentriert. Das Multiplizieren der AM-Wellenform mit dem Träger verschiebt das Basisbandspektrum auf 0 Hz, verschiebt es aber auch auf 2 fC (in diesem Fall 200 MHz), da durch Multiplikation (wie oben angegeben) das vorhandene Spektrum um fC nach oben und um fC nach unten verschoben wird .

Es ist also klar, dass die Multiplikation allein für eine ordnungsgemäße Demodulation nicht ausreicht. Was wir brauchen, ist Multiplikation und ein Tiefpassfilter; Der Filter unterdrückt das Spektrum, das auf 2 fC verschoben wurde. Das folgende Schema enthält ein RC-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von ~ 1.5 MHz.

Und hier ist das demodulierte Signal:

Diese Technik ist tatsächlich komplizierter als es scheint, da die Phase der Trägerfrequenzwellenform des Empfängers mit der Phase des Trägers des Senders synchronisiert werden muss. Dies wird auf Seite 5 dieses Kapitels (Grundlegendes zur Quadraturdemodulation) näher erläutert.

Option 2: Spitzendetektor

Wie Sie oben in der Darstellung sehen können, die die AM-Wellenform (in Blau) und die verschobene Basisbandwellenform (in Orange) zeigt, stimmt der positive Teil der AM- „Hüllkurve“ mit dem Basisbandsignal überein. 

Der Begriff "Hüllkurve" bezieht sich auf die Variationen der sinusförmigen Amplitude des Trägers (im Gegensatz zu den Variationen des Momentanwerts der Wellenform selbst). Wenn wir den positiven Teil der AM-Hüllkurve irgendwie extrahieren könnten, könnten wir das Basisbandsignal ohne Verwendung eines Multiplikators reproduzieren.

Es stellt sich heraus, dass es ziemlich einfach ist, die positive Hüllkurve in ein normales Signal umzuwandeln. Wir beginnen mit einem Spitzendetektor, der nur eine Diode gefolgt von einem Kondensator ist. 

Die Diode leitet, wenn das Eingangssignal mindestens ~ 0.7 V über der Spannung am Kondensator liegt, und wirkt ansonsten wie ein offener Stromkreis. Somit hält der Kondensator die Spitzenspannung aufrecht: Wenn die aktuelle Eingangsspannung niedriger als die Kondensatorspannung ist, nimmt die Kondensatorspannung nicht ab, da die in Sperrrichtung vorgespannte Diode eine Entladung verhindert.

Wir wollen jedoch keinen Spitzendetektor, der die Spitzenspannung über einen langen Zeitraum beibehält. Stattdessen wollen wir eine Schaltung, die die Spitze relativ zu den hochfrequenten Variationen der Trägerwellenform beibehält, aber die Spitze relativ zu den niederfrequenten Variationen der Hüllkurve nicht beibehält. Mit anderen Worten, wir wollen einen Spitzendetektor, der die Spitze nur für einen kurzen Zeitraum hält. 

Dies erreichen wir durch Hinzufügen eines parallelen Widerstands, der es dem Kondensator ermöglicht, sich zu entladen. (Diese Art von Schaltung wird als "Leckspitzendetektor" bezeichnet, wobei sich "Leck" auf den vom Widerstand bereitgestellten Entladungspfad bezieht.) Der Widerstand wird so gewählt, dass die Entladung langsam genug ist, um die Trägerfrequenz zu glätten, und schnell genug, um dies zu tun Glättungsfrequenz nicht glätten.

Hier ist ein Beispiel eines Leckspitzendetektors für die AM-Demodulation:

Beachten Sie, dass ich das AM-Signal um den Faktor fünf verstärkt habe, um das Eingangssignal des Spitzendetektors im Verhältnis zur Durchlassspannung der Diode größer zu machen. Das folgende Diagramm zeigt das allgemeine Ergebnis, das wir mit dem Leckspitzendetektor erzielen möchten.

Das endgültige Signal weist die erwartete Lade- / Entladecharakteristik auf:




Ein Tiefpassfilter könnte verwendet werden, um diese Variationen auszugleichen.

Zusammenfassung

* In LTspice kann eine beliebige Verhaltensspannungsquelle verwendet werden, um eine AM-Wellenform zu erstellen.

* AM-Wellenformen können mit einem Multiplikator gefolgt von einem Tiefpassfilter demoduliert werden.

* Ein einfacherer (und kostengünstigerer) Ansatz besteht darin, einen undichten Spitzendetektor zu verwenden, dh einen Spitzendetektor mit parallelem Widerstand, der es dem Kondensator ermöglicht, sich mit einer geeigneten Geschwindigkeit zu entladen.

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