วิธี Demodulate AM Waveform

Demodulation ความถี่วิทยุ
เรียนรู้เกี่ยวกับสองวงจรที่สามารถดึงข้อมูลดั้งเดิมจากสัญญาณพาหะที่ปรับความกว้างได้

ณ จุดนี้เรารู้ว่าการปรับหมายถึงการปรับเปลี่ยนไซน์อยด์โดยเจตนาเพื่อให้สามารถรับข้อมูลความถี่ต่ำจากเครื่องส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ นอกจากนี้เรายังได้ครอบคลุมรายละเอียดมากมายที่เกี่ยวข้องกับวิธีการที่แตกต่างกันเช่นแอมพลิจูดความถี่เฟสแอนะล็อกดิจิทัลของการเข้ารหัสข้อมูลในคลื่นพาหะ

แต่ไม่มีเหตุผลที่จะรวมข้อมูลเข้ากับสัญญาณที่ส่งหากเราไม่สามารถดึงข้อมูลนั้นจากสัญญาณที่ได้รับและนี่คือเหตุผลที่เราต้องศึกษา demodulation 

วงจร demodulation มีตั้งแต่สิ่งง่าย ๆ เช่นเครื่องตรวจจับจุดสูงสุดที่ปรับเปลี่ยนไปจนถึงบางสิ่งที่ซับซ้อนเท่าการแปลงสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ต่อเนื่องกันรวมกับอัลกอริธึมการถอดรหัสที่ซับซ้อนซึ่งดำเนินการโดยตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล

การสร้างสัญญาณ
เราจะใช้ LTspice เพื่อศึกษาเทคนิคในการทำลายรูปคลื่น AM แต่ก่อนที่เราจะ demodulate เราต้องการสิ่งที่มอดูเลต

ในหน้าการมอดูเลต AM เราเห็นว่าจำเป็นต้องมีสี่สิ่งในการสร้างรูปคลื่น AM อันดับแรกเราต้องการรูปแบบของคลื่นเบสแบนด์และรูปแบบของคลื่นพาหะ จากนั้นเราต้องการวงจรที่สามารถเพิ่ม DC ออฟเซ็ตที่เหมาะสมให้กับสัญญาณเบสแบนด์ 

และสุดท้ายเราต้องการตัวคูณเนื่องจากความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการปรับความกว้างนั้นทวีคูณทวีคูณสัญญาณเบสแบนด์ที่ถูกเลื่อนโดยผู้ให้บริการ

วงจร LTspice ต่อไปนี้จะสร้างรูปคลื่น AM

* V1 เป็นแหล่งกำเนิดแรงดันคลื่นไซน์ 1 MHz ที่ให้สัญญาณเบสแบนด์ดั้งเดิม

* V3 สร้างคลื่นไซน์ 100 MHz สำหรับผู้ให้บริการ

* วงจร op-amp เป็นตัวเปลี่ยนระดับ (ลดความกว้างของอินพุตโดยครึ่งหนึ่ง) สัญญาณที่มาจาก V1 เป็นคลื่นไซน์ที่แกว่งจาก –1 V ถึง +1 V และเอาต์พุตของ op-amp เป็นคลื่นไซน์ที่แกว่งจาก 0 V ถึง +1 V

* B1 คือ“ แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเชิงพฤติกรรม” ฟิลด์“ ค่า” ของมันเป็นสูตรแทนที่จะเป็นค่าคงที่ ในกรณีนี้สูตรคือสัญญาณ baseband ที่ถูกเลื่อนคูณด้วยรูปคลื่นของพาหะ ด้วยวิธีนี้ B1 สามารถใช้เพื่อทำการมอดูเลตแอมพลิจูดได้

นี่คือสัญญาณเบสแบนด์ที่ถูกเลื่อน:

และที่นี่คุณสามารถดูว่าการเปลี่ยนแปลงแบบ AM สอดคล้องกับสัญญาณเบสแบนด์อย่างไร (เช่นการติดตามสีส้มที่ส่วนใหญ่ถูกบดบังด้วยรูปคลื่นสีฟ้า):

demodulation

ดังที่ได้กล่าวไว้ในหน้าการมอดูเลต AM การดำเนินการคูณที่ใช้ในการปรับแอมพลิจูดมีผลต่อการถ่ายโอนสเปกตรัมเบสแบนด์ไปยังวงดนตรีที่อยู่รอบ ๆ ความถี่พาหะบวก (+ fC) และความถี่พาหะลบ (–fC) 

ดังนั้นเราสามารถคิดถึงการมอดูเลตแอมพลิจูดเป็นการเปลี่ยนสเปกตรัมต้นฉบับขึ้นโดย fC และลดลงโดย fC จากนั้นตามด้วยการทวีคูณสัญญาณมอดูเลตโดยความถี่พาหะจะโอนสเปกตรัมกลับสู่ตำแหน่งเดิม - กล่าวคือมันจะเปลี่ยนคลื่นความถี่ลงโดย fC ซึ่งเป็นศูนย์กลางอีกครั้งรอบ ๆ 0 Hz

ตัวเลือกที่ 1: การคูณและการกรอง
LTspice schematic ต่อไปนี้มีแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบพฤติกรรม demodulating B2 คูณสัญญาณ AM โดยผู้ให้บริการ

 

และนี่คือผลลัพธ์:

สิ่งนี้ดูไม่ถูกต้องอย่างแน่นอน หากเราซูมเข้าเราจะเห็นสิ่งต่อไปนี้:

และนี่แสดงให้เห็นปัญหา หลังจากการปรับแอมพลิจูดคลื่นความถี่เบสแบนด์จะอยู่กึ่งกลางรอบ + fC การคูณสัญญาณ AM โดยผู้ให้บริการจะเลื่อนสเปกตรัมเบสแบนด์ลงไปที่ 0 Hz แต่มันก็จะเพิ่มขึ้นเป็น 2fC (ในกรณีนี้ 200 MHz) เพราะการคูณทวีคูณ (ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น) ทำให้สเปกตรัมที่มีอยู่เพิ่มขึ้นโดย fC และลดลงด้วย fC .

เป็นที่ชัดเจนแล้วการคูณเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอสำหรับ demodulation ที่เหมาะสม สิ่งที่เราต้องการคือการคูณและตัวกรองความถี่ต่ำ ตัวกรองจะหยุดการเคลื่อนที่ของสเปกตรัมที่เพิ่มขึ้นเป็น 2fC แผนผังต่อไปนี้มีตัวกรอง RC low-pass พร้อมความถี่ cutoff ที่ ~ 1.5 MHz

และนี่คือสัญญาณ demodulated:

เทคนิคนี้มีความซับซ้อนมากกว่าที่ปรากฏเนื่องจากเฟสของรูปคลื่นความถี่พาหะของผู้รับต้องซิงโครไนซ์กับเฟสของตัวส่งสัญญาณของตัวส่ง สิ่งนี้ถูกกล่าวถึงเพิ่มเติมในหน้า 5 ของบทนี้ (การทำความเข้าใจกับการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส)

ตัวเลือก 2: Peak Detector

ดังที่คุณเห็นด้านบนในพล็อตที่แสดงรูปคลื่น AM (เป็นสีน้ำเงิน) และรูปคลื่นของสัญญาณแบนด์แบนด์ที่ขยับ (เป็นสีส้ม) ส่วนที่เป็นบวกของ "ซองจดหมาย" AM ตรงกับสัญญาณเบสแบนด์ 

คำว่า "ซองจดหมาย" หมายถึงความหลากหลายของพาหะในรูปคลื่นไซน์ (ตรงข้ามกับความผันแปรของมูลค่าของรูปคลื่นในทันที) ถ้าเราสามารถแยกส่วนที่เป็นบวกของซองจดหมาย AM เราสามารถสร้างสัญญาณเบสแบนด์ได้โดยไม่ต้องใช้ตัวคูณ

ปรากฎว่ามันค่อนข้างง่ายในการแปลงซองจดหมายเป็นสัญญาณปกติ เราเริ่มต้นด้วยเครื่องตรวจจับจุดสูงสุดซึ่งเป็นเพียงไดโอดตามด้วยตัวเก็บประจุ 

ไดโอดจะดำเนินการเมื่อสัญญาณอินพุตอย่างน้อย ~ 0.7 V เหนือแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุและมิฉะนั้นจะทำหน้าที่เหมือนวงจรเปิด ดังนั้นตัวเก็บประจุจะรักษาแรงดันไฟฟ้าสูงสุด: หากแรงดันไฟฟ้าอินพุตปัจจุบันต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแรงดันของตัวเก็บประจุจะไม่ลดลงเพราะไดโอดแบบไบเอนด์แบบย้อนกลับป้องกันการคายประจุ

อย่างไรก็ตามเราไม่ต้องการเครื่องตรวจจับจุดสูงสุดที่จะรักษาแรงดันไฟฟ้าสูงสุดไว้เป็นเวลานาน แต่เราต้องการวงจรที่รักษาจุดสูงสุดเมื่อเทียบกับรูปแบบคลื่นความถี่สูงของรูปแบบคลื่นพาหะ แต่ไม่รักษาจุดสูงสุดเมื่อเทียบกับรูปแบบความถี่ต่ำของซองจดหมาย กล่าวอีกนัยหนึ่งเราต้องการเครื่องมือตรวจจับจุดสูงสุดที่เก็บจุดสูงสุดเพียงช่วงเวลาสั้น ๆ 

เราทำสิ่งนี้ได้สำเร็จโดยการเพิ่มความต้านทานแบบขนานที่ทำให้ตัวเก็บประจุสามารถคลายประจุได้ (วงจรประเภทนี้เรียกว่า "เครื่องตรวจจับการรั่วสูงสุด" โดยที่ "การรั่วไหล" หมายถึงเส้นทางการปลดปล่อยที่จัดทำโดยตัวต้านทาน) ความต้านทานจะถูกเลือกเพื่อให้การคายประจุช้าพอที่จะทำให้ความถี่พาหะนั้นราบรื่นและเร็วพอ ไม่เรียบความถี่ซองจดหมาย

นี่คือตัวอย่างของตัวตรวจจับการรั่วสูงสุดสำหรับการถอดรหัสแบบ AM:

โปรดทราบว่าฉันได้ขยายสัญญาณ AM โดยปัจจัยห้าเพื่อให้สัญญาณอินพุตของเครื่องตรวจจับสูงสุดมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเทียบกับแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด เนื้อเรื่องต่อไปนี้บ่งบอกถึงผลลัพธ์โดยทั่วไปที่เราพยายามทำด้วยเครื่องตรวจจับจุดรั่วสูงสุด

สัญญาณสุดท้ายแสดงลักษณะการชาร์จ / คายประจุที่คาดไว้:




สามารถใช้ตัวกรอง low-pass เพื่อทำให้การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ราบรื่นขึ้น

สรุป

* ใน LTspice สามารถใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเชิงพฤติกรรมเพื่อสร้างรูปคลื่น AM

* รูปแบบคลื่น AM สามารถ demodulated โดยใช้ตัวคูณตามด้วยตัวกรอง low-pass

* วิธีที่ง่ายกว่า (และราคาถูกกว่า) คือการใช้เครื่องตรวจจับการรั่วแบบจุดสูงสุดนั่นคือเครื่องตรวจจับแบบจุดสูงสุดที่มีความต้านทานแบบขนานที่ช่วยให้ตัวเก็บประจุสามารถจ่ายประจุในอัตราที่เหมาะสม

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ