如何解調(diào)AM波形
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了解兩種可以從調(diào)幅載波信號(hào)中提取原始信息的電路。
到目前為止,我們已經(jīng)知道調(diào)制是指有意地修改正弦波,以便它能將低頻信息從發(fā)射機(jī)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。我們還詳細(xì)了解了在載波中編碼信息的不同方法——振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。
但是,如果我們不能從接收到的信號(hào)中提取出數(shù)據(jù),那么將數(shù)據(jù)集成到傳輸信號(hào)中就沒有意義了,這就是我們需要研究解調(diào)的原因。解調(diào)電路的范圍很廣,從簡單的改進(jìn)型峰值檢波器,到復(fù)雜的相干正交下變頻與數(shù)字信號(hào)處理器執(zhí)行的復(fù)雜解碼算法相結(jié)合的系統(tǒng)。
生成信號(hào)
我們將使用LTspice來研究解調(diào)調(diào)幅波形的技術(shù)。但在解調(diào)之前,我們需要一個(gè)已調(diào)制的信號(hào)。
在調(diào)幅調(diào)制頁面中,我們了解到生成調(diào)幅波形需要四個(gè)要素。首先,我們需要一個(gè)基帶波形和一個(gè)載波波形。然后,我們需要一個(gè)電路,該電路可以給基帶信號(hào)添加一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷髌屏俊W詈?,我們需要一個(gè)乘法器,因?yàn)檎{(diào)幅對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系是將偏移后的基帶信號(hào)與載波相乘。
下面的LTspice電路將生成一個(gè)調(diào)幅波形。
V1 是一個(gè) 1 MHz 的正弦波電壓源,提供原始的基帶信號(hào)。
V3 產(chǎn)生一個(gè) 100 MHz 的正弦波作為載波。
運(yùn)算放大器電路是一個(gè)電平移位器(它還將輸入振幅減半)。來自 V1 的信號(hào)是一個(gè)從 -1 V 到 +1 V 擺動(dòng)的正弦波,而運(yùn)算放大器的輸出是一個(gè)從 0 V 到 +1 V 擺動(dòng)的正弦波。
B1 是一個(gè)“任意行為電壓源”。其“值”字段是一個(gè)公式而不是一個(gè)常數(shù);在這種情況下,該公式是移位后的基帶信號(hào)乘以載波波形。這樣,B1 可以用來執(zhí)行振幅調(diào)制。
以下是移位后的基帶信號(hào):
在這里,您可以看到調(diào)幅變化如何與基帶信號(hào)相對應(yīng)(即,主要被藍(lán)色波形遮擋的橙色軌跡):
解調(diào)
正如在調(diào)幅調(diào)制頁面中所討論的,用于執(zhí)行調(diào)幅的乘法運(yùn)算具有將基帶頻譜轉(zhuǎn)移到圍繞正載波頻率(+fC)和負(fù)載波頻率(–fC)的頻帶的效果。因此,我們可以將調(diào)幅視為將原始頻譜向上移動(dòng)fC并向下移動(dòng)fC。接下來,將調(diào)制信號(hào)與載波頻率相乘會(huì)將頻譜移回其原始位置——即,將頻譜向下移動(dòng)fC,使其再次以0 Hz為中心。
選項(xiàng)1:乘法與濾波
以下LTspice示意圖包括一個(gè)解調(diào)用的任意行為電壓源;B2將調(diào)幅信號(hào)與載波相乘。
這揭示了問題所在。在調(diào)幅之后,基帶頻譜以+fC為中心。將調(diào)幅波形與載波相乘將基帶頻譜向下移動(dòng)到0 Hz,但同時(shí)也將其向上移動(dòng)到2fC(在這種情況下為200 MHz),因?yàn)椋ㄈ缟纤觯┏朔〞?huì)使現(xiàn)有頻譜向上移動(dòng)fC并向下移動(dòng)fC。
因此,很明顯,僅乘法不足以進(jìn)行正確的解調(diào)。我們需要的是乘法和低通濾波器;濾波器會(huì)抑制向上移動(dòng)到2fC的頻譜。以下示意圖包括一個(gè)截止頻率約為1.5 MHz的RC低通濾波器。
這種技術(shù)實(shí)際上比看起來要復(fù)雜,因?yàn)榻邮掌鞯妮d波頻率波形的相位必須與發(fā)射器的載波相位同步。這在本章第5頁(理解正交解調(diào))中有更詳細(xì)的討論。
選項(xiàng)2:峰值檢測器
正如您在上圖中看到的那樣,該圖顯示了調(diào)幅波形(藍(lán)色)和移位后的基帶波形(橙色),調(diào)幅“包絡(luò)”的正部分與基帶信號(hào)相匹配。術(shù)語“包絡(luò)”指的是載波正弦波幅值的變化(與波形本身瞬時(shí)值的變化相對)。如果我們能夠以某種方式提取調(diào)幅包絡(luò)的正部分,我們就可以在不使用乘法器的情況下再現(xiàn)基帶信號(hào)。
事實(shí)證明,將正包絡(luò)轉(zhuǎn)換為正常信號(hào)是相當(dāng)容易的。我們從峰值檢測器開始,它只是一個(gè)二極管后面跟著一個(gè)電容器。當(dāng)輸入信號(hào)至少比電容器上的電壓高~0.7V時(shí),二極管導(dǎo)通,否則它就像開路一樣。因此,電容器保持峰值電壓:如果當(dāng)前輸入電壓低于電容器電壓,則電容器電壓不會(huì)下降,因?yàn)榉聪蚱玫亩O管會(huì)阻止放電。
但是,我們不希望有一個(gè)會(huì)長時(shí)間保持峰值電壓的峰值檢測器。相反,我們想要一個(gè)相對于載波波形的高頻變化保持峰值,但不相對于包絡(luò)的低頻變化保持峰值的電路。換句話說,我們想要一個(gè)只在短時(shí)間內(nèi)保持峰值的峰值檢測器。我們通過添加允許電容器放電的并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。(這種類型的電路被稱為“漏峰檢測器”,“漏”指的是電阻提供的放電路徑。)電阻的選擇要使放電速度足夠慢,以平滑載波頻率,同時(shí)足夠快,以不平滑包絡(luò)頻率。
以下是一個(gè)用于調(diào)幅解調(diào)的漏峰檢測器的示例:
最終信號(hào)展示了預(yù)期的充電/放電特性:
可以使用低通濾波器來平滑這些變化。
總結(jié)
在LTspice中,可以使用任意行為電壓源來創(chuàng)建調(diào)幅波形。
調(diào)幅波形可以通過乘法器后接低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。
一種更簡單(且成本更低)的方法是使用漏峰檢測器,即帶有并聯(lián)電阻的峰值檢測器,該電阻允許電容器以適當(dāng)?shù)乃俾史烹姟?/p>