Cara Mendemodulasi Bentuk Gelombang FM

Demodulasi Frekuensi Radio
Pelajari tentang dua teknik untuk memulihkan sinyal baseband dari carrier yang dimodulasi frekuensi.

Modulasi frekuensi menawarkan peningkatan kinerja dibandingkan modulasi amplitudo, tetapi agak lebih sulit untuk mengekstrak informasi asli dari bentuk gelombang FM. Ada beberapa cara berbeda untuk mendemodulasi FM; di halaman ini kita akan membahas dua. Salah satunya cukup mudah, dan yang lain lebih kompleks.

Menciptakan Sinyal
Seperti pada Cara Mendemodulasi Bentuk Gelombang AM, kita akan menggunakan LTspice untuk menjelajahi demodulasi FM, dan sekali lagi kita perlu melakukan modulasi frekuensi terlebih dahulu sehingga kita memiliki sesuatu untuk didemodulasi. 

Jika Anda melihat kembali halaman pada modulasi frekuensi analog, Anda akan melihat bahwa hubungan matematisnya kurang langsung dibandingkan dengan modulasi amplitudo. 

Dengan AM, kami cukup menambahkan offset dan kemudian melakukan perkalian biasa. Dengan FM, kita perlu menambahkan nilai yang bervariasi secara terus-menerus pada kuantitas di dalam fungsi sinus (atau cosinus), dan lebih jauh lagi, nilai-nilai yang bervariasi secara terus-menerus ini bukanlah sinyal baseband, tetapi merupakan bagian integral dari sinyal baseband.

Akibatnya, kami tidak dapat menghasilkan bentuk gelombang FM menggunakan sumber tegangan perilaku sewenang-wenang dan hubungan matematika sederhana, seperti yang kami lakukan dengan AM. Ternyata, sebenarnya lebih mudah untuk menghasilkan sinyal FM. Kami cukup menggunakan opsi SFFM untuk sumber tegangan normal:

"Rangkaian" berikut ini adalah semua yang kita butuhkan untuk membuat bentuk gelombang FM yang terdiri dari pembawa 10 MHz dan sinyal baseband sinusoidal 1 MHz:




Perhatikan bahwa indeks modulasi adalah lima; indeks modulasi yang lebih tinggi memudahkan untuk melihat variasi frekuensi. Plot berikut menunjukkan bentuk gelombang yang dibuat oleh sumber tegangan SFFM.

Demodulation: Filter High-Pass
Teknik demodulasi pertama yang akan kita lihat dimulai dengan filter high-pass. Kami akan menganggap bahwa kami sedang berurusan dengan narrowband FM. Kita perlu merancang high-pass filter sehingga atenuasi akan bervariasi secara signifikan dalam pita frekuensi yang lebarnya dua kali bandwidth sinyal baseband. Mari kita telusuri konsep ini lebih menyeluruh.

Sinyal FM yang diterima akan memiliki spektrum yang berpusat di sekitar frekuensi pembawa. Lebar spektrum kira-kira sama dengan dua kali bandwidth sinyal baseband; faktor dua hasil dari pergeseran frekuensi baseband positif dan negatif, dan "kira-kira" sama karena integrasi yang diterapkan pada sinyal baseband dapat mempengaruhi bentuk spektrum termodulasi. 

Jadi, frekuensi terendah dalam sinyal termodulasi kira-kira sama dengan frekuensi pembawa dikurangi frekuensi tertinggi dalam sinyal pita dasar, dan frekuensi tertinggi dalam sinyal termodulasi kira-kira sama dengan frekuensi pembawa ditambah frekuensi tertinggi dalam sinyal pita dasar.

Filter high-pass kami perlu memiliki respons frekuensi yang menyebabkan frekuensi terendah dalam sinyal termodulasi dilemahkan secara signifikan lebih dari frekuensi tertinggi dalam sinyal termodulasi. Jika kami menerapkan filter ini ke bentuk gelombang FM, apa hasilnya? Ini akan menjadi seperti ini:

Plot ini menunjukkan bentuk gelombang FM asli dan bentuk gelombang high-pass-filtered, untuk tujuan perbandingan. Plot berikutnya hanya menampilkan bentuk gelombang yang difilter, sehingga Anda dapat melihatnya dengan lebih jelas.

Dengan menerapkan filter, kami telah mengubah modulasi frekuensi menjadi modulasi amplitudo. Ini adalah pendekatan yang mudah digunakan untuk demodulasi FM, karena memungkinkan kita mendapatkan manfaat dari rangkaian detektor-amplop yang telah dikembangkan untuk digunakan dengan modulasi amplitudo. Filter yang digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang ini tidak lebih dari RC high-pass dengan frekuensi cutoff kira-kira sama dengan frekuensi pembawa.

Kebisingan Amplitudo

Kesederhanaan skema demodulasi ini secara alami membuat kita berpikir bahwa itu bukan opsi kinerja tertinggi, dan pada kenyataannya pendekatan ini memang memiliki kelemahan utama: sensitif terhadap variasi amplitudo. 

Sinyal yang ditransmisikan akan memiliki amplop konstan karena modulasi frekuensi tidak melibatkan perubahan amplitudo pembawa, tetapi sinyal yang diterima tidak akan memiliki amplop konstan karena amplitudo dipengaruhi oleh sumber kesalahan.

Akibatnya, kami tidak dapat merancang demodulator FM yang dapat diterima hanya dengan menambahkan filter high-pass ke demodulator AM. Kita juga memerlukan pembatas, yang merupakan sirkuit yang mengurangi variasi amplitudo dengan membatasi sinyal yang diterima ke amplitudo tertentu. 

Keberadaan obat sederhana dan efektif ini untuk variasi amplitudo memungkinkan FM untuk mempertahankan kekokohannya yang lebih besar (dibandingkan dengan AM) terhadap noise amplitudo: Kami tidak dapat menggunakan pembatas dengan sinyal AM karena membatasi amplitudo merusak informasi yang dikodekan dalam pembawa. FM, di sisi lain, mengkodekan semua informasi dalam karakteristik temporal dari sinyal yang ditransmisikan.

Demodulation: Loop Fase-Terkunci
Loop-terkunci loop (PLL) dapat digunakan untuk membuat sirkuit yang kompleks namun berkinerja tinggi untuk demodulasi FM. PLL dapat "mengunci" frekuensi bentuk gelombang yang masuk. Ini dilakukan dengan menggabungkan detektor fase, filter low-pass (alias "loop filter"), dan osilator yang dikendalikan tegangan (VCO) ke dalam sistem umpan balik negatif, sebagai berikut:

Setelah PLL terkunci, ia dapat membuat sinusoid keluaran yang mengikuti variasi frekuensi sinusoid yang masuk. Bentuk gelombang output ini akan diambil dari output VCO. 

Namun, dalam aplikasi FM-demodulator, kita tidak memerlukan sinusoid keluaran yang memiliki frekuensi yang sama dengan sinyal input. Sebagai gantinya, kami menggunakan output dari loop filter sebagai sinyal yang didemodulasi. Mari kita lihat mengapa ini mungkin.

Detektor fase menghasilkan sinyal yang sebanding dengan perbedaan fase antara bentuk gelombang yang masuk dan output dari VCO. Filter loop menghaluskan sinyal ini, yang kemudian menjadi sinyal kontrol untuk VCO. 

Jadi, jika frekuensi sinyal yang masuk terus meningkat dan menurun, sinyal kontrol VCO harus naik dan turun untuk memastikan bahwa frekuensi output VCO tetap sama dengan frekuensi input. Dengan kata lain, output dari loop filter adalah sinyal yang variasi amplitudo sesuai dengan variasi frekuensi input. Ini adalah bagaimana PLL mencapai demodulasi frekuensi.

Kesimpulan

* Dalam LTspice, sinusoid termodulasi frekuensi dapat dihasilkan dengan menggunakan opsi SFFM untuk sumber tegangan standar.

* Teknik demodulasi FM yang sederhana dan efektif melibatkan filter high-pass (untuk konversi FM-ke-AM) diikuti oleh demodulator AM.

* Demodulator FM high-pass-filter berbasis didahului oleh limiter untuk mencegah variasi amplitudo dari kesalahan kontribusi pada sinyal yang didemodulasi.

* Loop fase-terkunci dapat digunakan untuk mencapai demodulasi FM kinerja tinggi. Penggunaan PLL sirkuit terpadu membuat pendekatan ini kurang kompleks dari yang terlihat.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan