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如何解调FM波形?

助工
2018-09-26 16:53:27    评分
了解从频率调制载波恢复基带信号的两种技术。

频率调制在幅度调制方面提供了改进的性能,但是从FM波形中提取原始信息有点困难。解调FM有几种不同的方法; 在本页我们将讨论两个。其中一个非常简单,另一个则更复杂。

 

创建信号

如在如何解调AM波形中一样,我们将使用LTspice来探索FM解调,并且我们需要首先执行频率调制,以便我们有解调的东西。如果你回头看一下模拟频率调制的页面,你会发现数学关系不如调幅那么直接。使用AM,我们只需添加一个偏移量然后执行普通乘法。对于FM,我们需要将连续变化的值添加到正弦(或余弦)函数内的数量,此外,这些连续变化的值不是基带信号,而是基带信号的积分。

因此,我们不能像使用AM那样使用任意行为电压源和简单的数学关系生成FM波形。但事实证明,生成FM信号实际上更容易。我们只需将SFFM选项用于常规电压源:

 

 

以下“电路”是创建由10 MHz载波和1 MHz正弦基带信号组成的FM波形所需的全部信号:

 

 

注意调制指数是5; 更高的调制指数使得更容易看到频率变化。下图显示了SFFM电压源产生的波形。

 

 

解调:高通滤波器

我们将首先看到的解调技术是从高通滤波器开始的。我们假设我们正在处理窄带FM(本页对此进行简要讨论)。我们需要设计高通滤波器,使得衰减在宽度是基带信号带宽的两倍的频带内显着变化。让我们更彻底地探索这个概念。

接收的FM信号将具有以载波频率为中心的频谱。频谱宽度约等于基带信号带宽的两倍; 从正的移位两个结果的因子负基带频率,它是“大约”等于因为施加到基带信号的积分可以影响调制频谱的形状。因此,调制信号中的最低频率近似等于载波频率减去基带信号中的最高频率,并且调制信号中的最高频率近似等于载波频率加上基带信号中的最高频率。

我们的高通滤波器需要具有频率响应,使得调制信号中的最低频率衰减远大于调制信号中的最高频率。如果我们将此滤波器应用于FM波形,结果会是什么?它将是这样的:

 

 

为了便于比较,该图显示了原始FM波形和高通滤波波形。下一个图表仅显示滤波后的波形,以便您可以更清楚地看到它。

 

 

通过应用滤波器,我们已将频率调制转换为幅度调制。这是一种方便的FM解调方法,因为它使我们能够受益于已经开发用于幅度调制的包络检波器电路。用于产生该波形的滤波器仅仅是RC高通,其截止频率近似等于载波频率。

 

幅度噪声

这种解调方案的简单性自然使我们认为它不是最高性能的选择,事实上这种方法确实存在一个主要缺点:它对幅度变化很敏感。发送的信号将具有恒定的包络,因为频率调制不涉及载波幅度的变化,但是接收的信号将具有恒定的包络,因为幅度不可避免地受到误差源的影响。

因此,我们不能简单地通过向AM解调器添加高通滤波器来设计可接受的FM解调器。我们还需要一个限制器,它是一种通过将接收信号限制在一定幅度来减轻幅度变化的电路。对幅度变化的这种简单有效的补救措施的存在使FM能够保持其对振幅噪声的更大(与AM相比ICfans)稳健性:我们不能对AM信号使用限制器,因为限制振幅会破坏载波中编码的信息。另一方面,FM对发送信号的时间特性中的所有信息进行编码。

 

解调:锁相环

锁相环(PLL)可用于创建用于FM解调的复杂但高性能的电路。PLL可以“锁定”输入波形的频率。它通过将相位检测器,低通滤波器(又名“环路滤波器”)和压控振荡器(VCO)组合到负反馈系统中来实现,如下所示:

 

 

PLL锁定后,它可以创建一个输出正弦曲线,跟随输入正弦曲线的频率变化。该输出波形将取自VCO的输出。然而,在FM解调器应用中,我们不需要具有与输入信号相同频率的输出正弦波。相反,我们使用环路滤波器的输出作为解调信号。让我们来看看为什么这是可能的。

相位检测器产生的信号与输入波形和VCO输出之间的相位差成比例。环路滤波器使该信号平滑,然后该信号成为VCO的控制信号。因此,如果输入信号的频率恒定地增加和减小,则VCO控制信号必须相应地增大和减小,以确保VCO输出频率保持等于输入频率。换句话说,环路滤波器的输出是其幅度变化对应于输入频率变化的信号。这就是PLL完成频率解调的方式。

 

总结

  • 在LTspice中,可以通过使用标准电压源的SFFM选项生成频率调制正弦波。

  • 简单有效的FM解调技术包括高通滤波器(用于FM到AM转换),然后是AM解调器。

  • 基于高通滤波器的FM解调器之前是限幅器,以防止幅度变化对解调信号产生误差。

  • 锁相环可用于实现高性能FM解调。集成电路PLL的使用使得这种方法不像看起来那么复杂。




关键词: FM     半导体     ICfans    

管理员
2018-09-27 09:14:15    评分
2楼

谢谢楼主分享


专家
2018-10-02 22:54:39    评分
3楼

谢谢分享,学习了。


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