Як дэмадуляваць форму FM-хвалі

Радыёчастотная дэмадуляцыя
Даведайцеся аб двух метадах для аднаўлення сігналу асноўнай паласы з частотна-мадуляванай нясучай.

Частотная мадуляцыя забяспечвае палепшаную прадукцыйнасць у параўнанні з амплітуднай мадуляцыяй, але атрымаць зыходную інфармацыю з сігналу FM некалькі складаней. Ёсць некалькі розных спосабаў дэмадуляцыі FM; на гэтай старонцы мы абмяркуем два. Адзін з іх даволі просты, а другі больш складаны.

Стварэнне сігналу
Як і ў раздзеле "Як дэмадуляваць сігнал AM", мы будзем выкарыстоўваць LTspice для вывучэння дэмадуляцыі FM, і яшчэ раз нам трэба спачатку выканаць частатную мадуляцыю, каб у нас было што дэмадуляваць. 

Калі вы азірнецеся на старонку, прысвечаную аналагавай частатнай мадуляцыі, вы ўбачыце, што матэматычная ўзаемасувязь менш простая, чым амплітудная мадуляцыя. 

З AM мы проста дадалі зрушэнне, а потым выканалі звычайнае множанне. З FM нам трэба дадаць бесперапынна зменлівыя значэнні да велічыні ўнутры функцыі сінуса (ці косінуса), і, акрамя таго, гэтыя бесперапынна зменлівыя значэнні з'яўляюцца не базавым сігналам, а хутчэй інтэгралам базавага сігналу.

Такім чынам, мы не можам стварыць сігнал FM, выкарыстоўваючы адвольную паводніцкую крыніцу напружання і простую матэматычную залежнасць, як мы зрабілі з AM. Аднак аказалася, што насамрэч прасцей згенераваць FM-сігнал. Мы проста выкарыстоўваем опцыю SFFM для нармальнай крыніцы напружання:

Наступная "схема" - усё, што нам трэба для стварэння сігналу FM, які складаецца з нясучай 10 МГц і сінусоіднага сігналу асноўнай паласы 1 МГц:




Звярніце ўвагу, што індэкс мадуляцыі роўны пяці; больш высокі індэкс мадуляцыі дазваляе лягчэй бачыць змены частоты. На наступным графіку паказаны сігнал, створаны крыніцай напружання SFFM.

Дэмадуляцыя: фільтр высокіх частот
Першы метад дэмадуляцыі, які мы разгледзім, пачынаецца з фільтра высокіх частот. Будзем лічыць, што мы маем справу з вузкапалосным FM. Нам трэба сканструяваць фільтр высокіх частот такім чынам, каб згасанне значна адрознівалася ў дыяпазоне частот, шырыня якога ўдвая перавышае паласу прапускання асноўнай паласы сігналу. Давайце разбярэмся з гэтай канцэпцыяй больш падрабязна.

Атрыманы FM-сігнал будзе мець спектр, які сканцэнтраваны вакол апорнай частаты. Шырыня спектру прыкладна роўная падвоенай шырыні паласы сігналу асноўнай паласы; каэфіцыент два вынікае з зруху станоўчай і адмоўнай частот паласы асноўнай паласы, і ён "прыкладна" роўны, таму што інтэграцыя, прымененая да сігналу асноўнай паласы, можа паўплываць на форму мадуляванага спектру. 

Такім чынам, самая нізкая частата ў мадуляваным сігнале прыкладна роўная нясучай частаце мінус самая высокая частата ў асноўнай паласе сігналу, а самая высокая частата ў мадуляваным сігнале прыкладна роўная апорнай частаце плюс самая высокая частата ў асноўнай паласе сігналу.

Наш фільтр высокіх частот павінен мець частотную характарыстыку, якая прымушае самую нізкую частату ў мадуляваным сігнале аслабляць значна больш, чым самая высокая частата ў мадуляваным сігнале. Калі мы ўжым гэты фільтр да сігналу FM, які будзе вынік? Гэта будзе прыкладна так:

На гэтым графіку для параўнання паказаны як зыходная форма хвалі FM, так і форма хвалі з фільтрам высокіх частот. Наступны графік паказвае толькі адфільтраваную форму хвалі, так што вы можаце бачыць яе больш выразна.

Ужыўшы фільтр, мы ператварылі частотную мадуляцыю ў амплітудную. Гэта зручны падыход да FM-дэмадуляцыі, таму што ён дазваляе нам скарыстацца схемай дэтэктара агінаючай, якая была распрацавана для выкарыстання з амплітуднай мадуляцыяй. Фільтр, які выкарыстоўваўся для атрымання гэтай формы хвалі, быў не чым іншым, як RC высокімі частотамі з частатой зрэзу, прыблізна роўнай апорнай частаце.

Шум амплітуды

Прастата гэтай схемы дэмадуляцыі, натуральна, прымушае нас думаць, што гэта не самы высокапрадукцыйны варыянт, і насамрэч гэты падыход мае сур'ёзны недахоп: ён адчувальны да зменаў амплітуды. 

Перадаваны сігнал будзе мець пастаянную агінаючую, таму што частотная мадуляцыя не ўключае змены амплітуды нясучай, але атрыманы сігнал не будзе мець сталай агінаючай, таму што на амплітуду непазбежна ўплываюць крыніцы памылак.

Такім чынам, мы не можам стварыць прымальны дэмадулятар FM, проста дадаўшы фільтр высокіх частот да дэмадулятара AM. Нам таксама патрэбны абмежавальнік, які ўяўляе сабой схему, якая змякчае змены амплітуды, абмяжоўваючы атрыманы сігнал да пэўнай амплітуды. 

Існаванне гэтага простага і эфектыўнага сродкі для барацьбы з ваганнямі амплітуды дазваляе FM падтрымліваць большую (у параўнанні з AM) устойлівасць да амплітуднага шуму: мы не можам выкарыстоўваць абмежавальнік з сігналамі AM, таму што абмежаванне амплітуды пашкоджвае інфармацыю, закадаваную ў носьбіце. FM, з іншага боку, кадуе ўсю інфармацыю ў часавых характарыстыках перадаванага сігналу.

Дэмадуляцыя: цыкл фазавай аўтападстройкі
Каб стварыць складаную, але высокапрадукцыйную схему дэмадуляцыі ЧМ, можна выкарыстоўваць схему фазавай аўтападстройкі частоты (PLL). ФАПЧ можа "фіксаваць" частату ўваходнага сігналу. Ён робіць гэта шляхам аб'яднання фазавага дэтэктара, фільтра нізкіх частот (ён жа "контурны фільтр") і асцылятара з кіраваннем напругай (VCO) у сістэму адмоўнай зваротнай сувязі наступным чынам:

Пасля блакавання PLL ён можа стварыць выхадную сінусоіду, якая адпавядае зменам частоты ўваходзячай сінусоіды. Гэты выхадны сігнал будзе ўзяты з выхаду VCO. 

Аднак у дадатку FM-дэмадулятара нам не патрэбна выхадная сінусоіда, якая мае тую ж частату, што і ўваходны сігнал. Замест гэтага мы выкарыстоўваем выхад з контурнага фільтра ў якасці дэмадуляванага сігналу. Давайце паглядзім, чаму гэта магчыма.

Фазавы дэтэктар стварае сігнал, прапарцыйны рознасці фаз паміж уваходным сігналам і выхадам ГУН. Кантурны фільтр згладжвае гэты сігнал, які затым становіцца сігналам кіравання для VCO. 

Такім чынам, калі частата ўваходнага сігналу пастаянна павялічваецца і памяншаецца, сігнал кіравання VCO павінен павялічвацца і памяншацца адпаведна, каб гарантаваць, што выхадная частата VCO застаецца роўнай уваходнай частаце. Іншымі словамі, на выхадзе контурнага фільтра з'яўляецца сігнал, амплітуда якога адпавядае зменам уваходнай частоты. Вось як ФАПЧ ажыццяўляе дэмадуляцыю частоты.

Рэзюмэ

*У LTspice частотна-мадуляваная сінусоіда можа быць створана з дапамогай опцыі SFFM для стандартных крыніц напружання.

*Просты і эфектыўны метад дэмадуляцыі FM ўключае ў сябе фільтр высокіх частот (для пераўтварэння FM-у-AM), а затым дэмадулятар AM.

* Дэмадулятар FM на аснове фільтра высокіх частот папярэднічае абмежавальнікам, каб прадухіліць змены амплітуды ад унясення памылак у дэмадуляваны сігнал.

*Для дасягнення высокай прадукцыйнасці FM-дэмадуляцыі можна выкарыстоўваць фазавую аўтападстройку частот. Выкарыстанне інтэгральных схем ФАПЧ робіць гэты падыход менш складаным, чым можа здацца.

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў