Kuinka demonstroida FM-aaltomuoto

Radiotaajuuden demodulointi
Opi kaksi tekniikkaa kantataajuussignaalin palauttamiseksi taajuusmoduloidulta kantoaallolta.

Taajuusmodulointi tarjoaa paremman suorituskyvyn verrattuna amplitudimodulaatioon, mutta alkuperäisen tiedon poimiminen FM-aaltomuodosta on jonkin verran vaikeampaa. FM-demodulointi on olemassa muutamalla eri tavalla; tällä sivulla keskustelemme kahdesta. Yksi näistä on melko suoraviivaista ja toinen monimutkaisempaa.

Signaalin luominen
Kuten kappaleessa AM-aaltomuodon demodulointi, käytämme LTspiceä tutkimaan FM-demodulointia, ja meidän on jälleen kerran suoritettava ensin taajuusmodulointi, jotta meillä olisi jotain demoduloitavaa. 

Jos katsot taaksepäin analogisen taajuuden moduloinnin sivulle, huomaat, että matemaattinen suhde on vähemmän suoraviivainen kuin amplitudimodulaatio. 

AM: n avulla lisäsimme yksinkertaisesti siirtymän ja suoritimme sitten tavallisen kertolaskun. FM: n kanssa meidän on lisättävä jatkuvasti muuttuvia arvoja sini- (tai kosinus) -funktion sisäiseen määrään, ja lisäksi nämä jatkuvasti muuttuvat arvot eivät ole kantataajuussignaali vaan pikemminkin kantataajuussignaalin integraali.

Näin ollen emme voi luoda FM-aaltomuotoa mielivaltaisen käyttäytymisen jännitelähteen ja yksinkertaisen matemaattisen suhteen avulla, kuten teimme AM: n kanssa. Osoittautuu kuitenkin, että FM-signaalin tuottaminen on todellakin helpompaa. Käytämme yksinkertaisesti SFFM-vaihtoehtoa normaalille jännitelähteelle:

Seuraava ”piiri” on kaikki mitä tarvitsemme FM-aaltomuodon luomiseksi, joka koostuu 10 MHz: n kantoaallosta ja 1 MHz: n sinimuotoisesta kantataajuussignaalista:




Huomaa, että modulaatioindeksi on viisi; korkeampi modulaatioindeksi helpottaa taajuusvaihtelujen näkemistä. Seuraava kuvaaja esittää SFFM-jännitelähteen luomaa aaltomuotoa.

Demodulointi: Ylipäästösuodatin
Ensimmäinen demodulointitekniikka, jota tarkastelemme, alkaa ylipäästösuodattimella. Oletetaan, että kyseessä on kapeakaistainen FM. Meidän on suunniteltava ylipäästösuodatin siten, että vaimennus vaihtelee merkittävästi taajuuskaistalla, jonka leveys on kaksinkertainen kantataajuussignaalin kaistanleveyteen. Tutkitaan tätä käsitettä perusteellisemmin.

Vastaanotetulla FM-signaalilla on taajuus, joka on keskitetty kantoaaltotaajuuden ympärille. Spektrin leveys on suunnilleen yhtä suuri kuin kaksinkertainen kantataajuussignaalin kaistanleveys; kahden kertoimen tuloksena on positiivisen ja negatiivisen kantataajuuden taajuuksien siirtyminen, ja se on “suunnilleen” yhtä suuri, koska kantataajuuskaistasignaaliin käytetty integraatio voi vaikuttaa moduloidun spektrin muotoon. 

Siten moduloidun signaalin alin taajuus on suunnilleen yhtä suuri kuin kantoaaltotaajuus miinus kantataajuussignaalin suurin taajuus ja moduloidun signaalin suurin taajuus on suunnilleen yhtä suuri kuin kantoaaltotaajuus plus kantataajuussignaalin suurin taajuus.

Ylipäästösuodattimellamme on oltava taajuusvaste, joka aiheuttaa moduloidun signaalin alimman taajuuden vaimentamisen huomattavasti enemmän kuin moduloidun signaalin korkein taajuus. Mikäli tulemme käyttämään tätä suodatinta FM-aaltomuodossa? Se tulee olemaan jotain tällaista:

Tämä kuvaaja näyttää sekä alkuperäisen FM-aaltomuodon että ylipäästösuodatetun aaltomuodon vertailun vuoksi. Seuraava kuvaaja näyttää vain suodatetun aaltomuodon, jotta näet sen selvemmin.

Sovellusta käyttämällä olemme muuttaneet taajuusmodulaation amplitudimodulaatioksi. Tämä on kätevä lähestymistapa FM-demodulointiin, koska se antaa meille mahdollisuuden hyötyä verhokäyrä-ilmaisupiireistä, jotka on kehitetty käytettäväksi amplitudimoduloinnissa. Tämän aaltomuodon tuottamiseksi käytetty suodatin oli vain RC-ylipäästö, jonka rajataajuus oli suunnilleen yhtä suuri kuin kantoaaltotaajuus.

Amplitudimelu

Tämän demodulointimenetelmän yksinkertaisuus saa luonnollisesti ajattelemaan, että se ei ole parhaan suorituskyvyn vaihtoehto, ja itse asiassa tällä lähestymistavalla on suuri heikkous: se on herkkä amplitudivaihteluille. 

Lähetetyllä signaalilla on vakio vaippa, koska taajuuden modulointi ei sisällä muutoksia kantoaallon amplitudissa, mutta vastaanotetulla signaalilla ei ole vakiokuorea, koska virheilähteet vaikuttavat väistämättä amplitudiin.

Siksi emme voi suunnitella hyväksyttävää FM-demodulaattoria yksinkertaisesti lisäämällä ylipäästösuodatin AM-demodulaattoriin. Tarvitsemme myös rajoitinta, joka on piiri, joka pienentää amplitudivaihteluja rajoittamalla vastaanotetun signaalin tiettyyn amplitudiin. 

Tämän yksinkertaisen ja tehokkaan lääkkeen olemassaolo amplitudivaihteluille antaa FM: lle mahdollisuuden ylläpitää suurempaa (verrattuna AM: hen) kestävyyttä amplitudimeluun nähden: Emme voi käyttää rajoitinta AM-signaalien kanssa, koska amplitudin rajoittaminen vahingoittaa kantoaallon koodattua tietoa. FM puolestaan ​​koodaa kaiken lähetetyn signaalin ajallisissa ominaisuuksissa olevan tiedon.

Demodulointi: Vaihelukittu silmukka
Vaihelukittua silmukkaa (PLL) voidaan käyttää monimutkaisen mutta tehokkaan piirin luomiseen FM-demodulointia varten. PLL voi “lukita” tulevan aaltomuodon taajuuden. Se tekee tämän yhdistämällä vaiheenilmaisimen, alipäästösuodattimen (alias “silmukkasuodatin”) ja jänniteohjatun oskillaattorin (VCO) negatiivisen takaisinkytkentäjärjestelmään seuraavasti:

Sen jälkeen, kun PLL on lukittu, se voi luoda ulostulosusoidin, joka seuraa tulevan sinusoidin taajuusvaihteluita. Tämä lähtöaaltomuoto otetaan VCO: n lähdöstä. 

FM-demodulaattorisovelluksessa emme kuitenkaan tarvitse lähtöliitäntäsignaalia, jolla on sama taajuus kuin tulosignaalilla. Sen sijaan käytämme silmukkasuodattimen lähtöä demoduloiduna signaalina. Katsotaanpa miksi tämä on mahdollista.

Vaiheilmaisin tuottaa signaalin, joka on verrannollinen tulevan aaltomuodon ja VCO: n lähdön väliseen vaihe-eroon. Silmukkasuodatin tasoittaa tämän signaalin, josta tulee sitten VCO: n ohjaussignaali. 

Siten, jos tulevan signaalin taajuus kasvaa jatkuvasti ja laskee, VCO-ohjaussignaalin on kasvava ja laskettava vastaavasti sen varmistamiseksi, että VCO-lähtötaajuus pysyy samana kuin tulotaajuus. Toisin sanoen, silmukkasuodattimen lähtö on signaali, jonka amplitudivariaatiot vastaavat tulotaajuuden variaatioita. Näin PLL suorittaa taajuuden demoduloinnin.

Yhteenveto

* LTspice: ssä voidaan luoda taajuusmoduloitu sinimuoto käyttämällä SFFM-vaihtoehtoa vakiojännitelähteille.

* Yksinkertainen ja tehokas FM-demodulointitekniikka sisältää ylipäästösuodattimen (FM-AM-AM-muuntamiseksi), jota seuraa AM-demodulaattori.

* Ylipäästösuodattimeen perustuvaa FM-demodulaattoria edeltää rajoitin estämään amplitudivaihteluiden aiheuttama virhe demoduloidulle signaalille.

* Vaihelukittua silmukkaa voidaan käyttää tehokkaan FM-demoduloinnin saavuttamiseen. Integroitujen piirien PLL: ien käyttö tekee tästä lähestymistavasta vähemmän monimutkaisen kuin miltä se saattaa näyttää.

Jätä viesti 

viestiluettelo