วิธี demodulate FM Waveform

Demodulation ความถี่วิทยุ
เรียนรู้เกี่ยวกับเทคนิคสองวิธีในการกู้คืนสัญญาณเบสแบนด์จากตัวยึดความถี่ที่ปรับได้

การมอดูเลตความถี่ให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นผ่านการมอดูเลตแอมพลิจูด แต่มันค่อนข้างยากกว่าที่จะดึงข้อมูลดั้งเดิมจากรูปคลื่น FM มีวิธีที่แตกต่างกันสองสามวิธีในการกำจัดคลื่นความถี่ FM; ในหน้านี้เราจะพูดถึงสอง หนึ่งในนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมาและอีกอันก็ซับซ้อนกว่า

การสร้างสัญญาณ
เช่นเดียวกับในวิธี Demodulate AM Waveform เราจะใช้ LTspice เพื่อสำรวจ demodulation FM และอีกครั้งเราต้องทำการมอดูเลตความถี่ก่อนเพื่อให้เรามีบางอย่างที่จะ demodulate 

หากคุณมองย้อนกลับไปที่หน้าเกี่ยวกับการมอดูเลตความถี่อะนาล็อกคุณจะเห็นว่าความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์นั้นตรงไปตรงมาน้อยกว่าการมอดูเลตแอมพลิจูด 

ด้วย AM เราเพียงเพิ่มการชดเชยแล้วทำการคูณสามัญ ด้วย FM เราจำเป็นต้องเพิ่มค่าที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในปริมาณภายในฟังก์ชันไซน์ (หรือโคไซน์) และยิ่งไปกว่านั้นค่าที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ไม่ใช่สัญญาณเบสแบนด์ แต่เป็นส่วนประกอบสำคัญของสัญญาณเบสแบนด์

ดังนั้นเราไม่สามารถสร้างรูปคลื่น FM โดยใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเชิงพฤติกรรมและความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายอย่างที่เราทำกับ AM มันกลับกลายเป็นว่าจริง ๆ แล้วมันง่ายต่อการสร้างสัญญาณ FM เราใช้ตัวเลือก SFFM สำหรับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าปกติ:

"วงจร" ต่อไปนี้เป็นสิ่งที่เราต้องการสำหรับการสร้างรูปคลื่น FM ซึ่งประกอบด้วยตัวส่งสัญญาณ 10 MHz และสัญญาณเบสไซน์ 1 MHz:




โปรดทราบว่าดัชนีการปรับคือห้า ดัชนีการมอดูเลตที่สูงขึ้นทำให้ง่ายต่อการดูการเปลี่ยนแปลงความถี่ เนื้อเรื่องต่อไปนี้แสดงรูปคลื่นที่สร้างโดยแหล่งแรงดัน SFFM

Demodulation: ตัวกรอง High-Pass
เทคนิค demodulation แรกที่เราจะดูเริ่มต้นด้วยตัวกรอง high-pass เราจะสมมติว่าเรากำลังจัดการกับ FM ย่านความถี่วิทยุ เราจำเป็นต้องออกแบบตัวกรอง high-pass เพื่อที่การลดทอนจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญภายในย่านความถี่ที่มีความกว้างเป็นสองเท่าของแบนด์วิดท์ของสัญญาณเบสแบนด์ ลองสำรวจแนวคิดนี้ให้ละเอียดยิ่งขึ้น

สัญญาณ FM ที่ได้รับจะมีคลื่นความถี่ที่อยู่กึ่งกลางความถี่ของผู้ให้บริการ ความกว้างของสเปกตรัมมีค่าเท่ากับแบนด์วิดท์สองเท่าของสัญญาณเบสแบนด์ ปัจจัยที่เป็นผลมาจากการขยับของความถี่เบสแบนด์บวกและลบและเป็น“ ประมาณ” เท่ากันเนื่องจากการรวมเข้ากับสัญญาณเบสแบนด์อาจส่งผลต่อรูปร่างของคลื่นความถี่มอดูเลต 

ดังนั้นความถี่ต่ำสุดในสัญญาณมอดูเลตประมาณเท่ากับความถี่พาหะลบด้วยความถี่สูงสุดในสัญญาณเบสแบนด์และความถี่สูงสุดในสัญญาณมอดูเลตจะเท่ากับประมาณความถี่พาหะบวกความถี่สูงสุดในสัญญาณเบสแบนด์

ตัวกรองความถี่สูงของเราจำเป็นต้องมีการตอบสนองความถี่ที่ทำให้ความถี่ต่ำสุดของสัญญาณมอดูเลตถูกลดทอนอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าความถี่สูงสุดในสัญญาณมอดูเลต หากเราใช้ตัวกรองนี้กับรูปแบบคลื่น FM ผลลัพธ์จะเป็นอย่างไร มันจะเป็นอะไรแบบนี้:

พล็อตนี้แสดงทั้งรูปแบบคลื่น FM ดั้งเดิมและรูปคลื่นที่ผ่านการกรองสูงเพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบ พล็อตถัดไปจะแสดงเฉพาะรูปคลื่นที่ถูกกรองเพื่อให้คุณสามารถมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

ด้วยการใช้ตัวกรองเราได้เปลี่ยนการมอดูเลตความถี่เป็นการปรับแอมพลิจูด นี่เป็นวิธีที่สะดวกในการ demodulation FM เนื่องจากช่วยให้เราได้รับประโยชน์จากวงจรเครื่องตรวจจับซองจดหมายที่ได้รับการพัฒนาเพื่อใช้กับการมอดูเลตแอมพลิจูด ตัวกรองที่ใช้ในการสร้างรูปคลื่นนี้ไม่มีอะไรมากไปกว่า RC high-pass ที่มีความถี่ cutoff โดยประมาณเท่ากับความถี่พาหะ

เสียงความกว้าง

ความเรียบง่ายของรูปแบบ demodulation นี้ทำให้เราคิดว่ามันไม่ใช่ตัวเลือกประสิทธิภาพสูงสุดและในความเป็นจริงวิธีการนี้มีจุดอ่อนที่สำคัญ: มันมีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด 

สัญญาณที่ส่งจะมีซองจดหมายคงที่เนื่องจากการมอดูเลตความถี่ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของผู้ให้บริการ แต่สัญญาณที่ได้รับจะไม่มีซองคงที่เนื่องจากแอมพลิจูดจะได้รับผลกระทบจากแหล่งที่ผิดพลาด

ดังนั้นเราไม่สามารถออกแบบตัวแยกความถี่ FM ที่ยอมรับได้โดยเพิ่มตัวกรองความถี่สูงผ่านตัวแยกสัญญาณแบบ AM เรายังต้องการตัว จำกัด ซึ่งเป็นวงจรที่ช่วยลดความแปรปรวนของแอมพลิจูดโดยการ จำกัด สัญญาณที่ได้รับให้กับแอมพลิจูดบางตัว 

การมีอยู่ของวิธีการรักษาที่ง่ายและมีประสิทธิภาพนี้สำหรับความหลากหลายของแอมพลิจูดทำให้เอฟเอ็มสามารถรักษาความทนทานของมันได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับ AM: เราไม่สามารถใช้ตัว จำกัด กับสัญญาณ AM ได้ FM ในทางกลับกันเข้ารหัสข้อมูลทั้งหมดในลักษณะชั่วคราวของสัญญาณที่ส่ง

Demodulation: The Loop-Locked Loop
สามารถใช้เฟสล็อกลูป (PLL) เพื่อสร้างวงจรที่ซับซ้อน แต่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการแยกคลื่นความถี่ FM PLL สามารถ“ ล็อคเข้าสู่” ความถี่ของรูปคลื่นที่เข้ามา มันทำได้โดยการรวมเครื่องตรวจจับเฟสตัวกรอง low-pass (aka“ loop filter”) และ oscillator ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCO) เข้ากับระบบป้อนกลับเชิงลบดังต่อไปนี้:

หลังจาก PLL ถูกล็อคมันสามารถสร้างไซน์เอาท์พุทที่ตามหลังการเปลี่ยนแปลงความถี่ในไซนัสที่เข้ามา รูปคลื่นของเอาท์พุตนี้จะถูกนำมาจากเอาท์พุทของ VCO 

อย่างไรก็ตามในแอปพลิเคชันตัวแยกสัญญาณ FM เราไม่ต้องการไซน์เอาท์พุทที่มีความถี่เดียวกับสัญญาณอินพุท แต่เราใช้เอาต์พุตจากตัวกรองลูปเป็นสัญญาณ demodulated ลองดูสาเหตุที่เป็นไปได้

เครื่องตรวจจับเฟสสร้างสัญญาณที่เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของเฟสระหว่างรูปแบบของคลื่นขาเข้าและเอาต์พุตของ VCO ตัวกรองแบบวนซ้ำทำให้สัญญาณนี้ราบรื่นซึ่งจะกลายเป็นสัญญาณควบคุมสำหรับ VCO 

ดังนั้นหากความถี่ของสัญญาณที่เข้ามาเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างต่อเนื่องสัญญาณควบคุม VCO จะต้องเพิ่มและลดลงตามลำดับเพื่อให้แน่ใจว่าความถี่เอาต์พุต VCO ยังคงเท่ากับความถี่อินพุต กล่าวอีกนัยหนึ่งเอาท์พุทของตัวกรองลูปเป็นสัญญาณที่มีความแปรปรวนของแอมพลิจูดสอดคล้องกับการแปรผันของความถี่อินพุท นี่คือวิธีที่ PLL บรรลุการแยกความถี่

สรุป

* ใน LTspice สามารถสร้าง sinusoid ที่ปรับความถี่โดยใช้ตัวเลือก SFFM สำหรับแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน

* เทคนิค demodulation FM ที่ง่ายและมีประสิทธิภาพเกี่ยวข้องกับตัวกรอง high-pass (สำหรับการแปลง FM เป็น AM) ตามด้วย AM demodulator

* ตัวถอดรหัส demodulator FM แบบ high-pass-filter นำหน้าด้วยตัว จำกัด เพื่อป้องกันการแปรผันของแอมพลิจูดจากข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับสัญญาณ demodulated

* สามารถใช้ลูปล็อกเฟสเพื่อให้ได้ demodulation FM ประสิทธิภาพสูง การใช้ PLL วงจรรวมทำให้วิธีการนี้ซับซ้อนน้อยกว่าที่ควรจะเป็น

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ