Como desmodular unha forma de onda FM

Desmodulación de radiofrecuencia
Coñece dúas técnicas para recuperar o sinal da banda base dun portador modulado en frecuencia.

A modulación de frecuencia ofrece un mellor rendemento respecto á modulación de amplitude, pero é algo máis difícil extraer a información orixinal dunha forma de onda FM. Hai algúns xeitos diferentes de desmodular a FM; nesta páxina falaremos de dous. Un destes é bastante sinxelo e o outro máis complexo.

Creación do sinal
Como en Como descifrar unha forma de onda AM, usaremos LTspice para explorar a demodulación FM, e unha vez máis, necesitamos primeiro realizar a modulación de frecuencias para que teñamos algo que demodular. 

Se miras de volta á páxina sobre a modulación de frecuencia analóxica, verás que a relación matemática é menos sinxela que a da modulación de amplitude. 

Con AM, simplemente engadimos un offset e despois realizamos a multiplicación ordinaria. Con FM, hai que engadir valores que varían continuamente á cantidade dentro dunha función seno (ou cosinus) e, ademais, estes valores que continuamente varían non son o sinal da banda base senón a integral do sinal da banda base.

Consecuentemente, non podemos xerar unha forma de onda FM empregando unha fonte de tensión comportamental arbitraria e unha simple relación matemática, como fixemos con AM. Resulta, porén, que é realmente máis sinxelo xerar un sinal FM. Simplemente usamos a opción SFFM para unha fonte de tensión normal:

O seguinte "circuíto" é todo o que necesitamos para crear unha forma de onda FM composta por un portador de 10 MHz e un sinal de banda sinusoidal de 1 MHz:




Teña en conta que o índice de modulación é de cinco; un índice de modulación máis elevado facilita a visión das variacións de frecuencia. A seguinte trama mostra a forma de onda creada pola fonte de tensión SFFM.

Demodulación: o filtro de paso elevado
A primeira técnica de demodulación que veremos comeza cun filtro de paso alto. Imos supoñer que estamos lidando con banda de banda estreita FM. Necesitamos deseñar o filtro de paso alto para que a atenuación varíe significativamente dentro dunha banda de frecuencia cuxo ancho sexa o dobre do ancho de banda do sinal da banda base. Imos explorar este concepto máis a fondo.

O sinal FM recibido terá un espectro que está centrado en torno á frecuencia do portador. O ancho do espectro é aproximadamente o dobre do ancho de banda do sinal da banda base; o factor de dous resultados do cambio das frecuencias da banda base positiva e negativa, e é "aproximadamente" igual porque a integración aplicada ao sinal da banda base pode afectar a forma do espectro modulado. 

Así, a menor frecuencia no sinal modulado é aproximadamente igual á frecuencia portadora menos a frecuencia máis alta no sinal da banda base, e a maior frecuencia no sinal modulado é aproximadamente igual á frecuencia portadora máis a frecuencia máis alta no sinal da banda base.

O noso filtro de paso alto precisa ter unha resposta de frecuencia que faga que a menor frecuencia no sinal modulado se atenue significativamente máis que a frecuencia máis alta no sinal modulado. Se aplicamos este filtro a unha forma de onda FM, cal será o resultado? Será algo así:

Esta trama mostra tanto a forma de onda FM orixinal como a de onda filtrada de alto paso, a efectos de comparación. A seguinte trama mostra só a forma de onda filtrada, de xeito que podes vela con máis claridade.

Ao aplicar o filtro, convertemos a modulación de frecuencia en modulación de amplitude. Este é un enfoque cómodo para a demodulación FM, porque nos permite beneficiarnos de circuítos de detector de envolventes que foron desenvolvidos para o seu uso con modulación de amplitude. O filtro usado para producir esta forma de onda non foi máis que un RC de paso alto cunha frecuencia de corte aproximadamente igual á frecuencia portadora.

Ruído de amplitude

A sinxeleza deste esquema de demodulación fainos pensar naturalmente que non é a opción de maior rendemento e, de feito, este enfoque ten unha debilidade importante: é sensible ás variacións de amplitude. 

O sinal transmitido terá unha envolvente constante porque a modulación da frecuencia non implica cambios na amplitude do portador, pero o sinal recibido non terá unha envolvente constante porque a amplitude é inevitablemente afectada polas fontes de erro.

Por conseguinte, non podemos deseñar un demodulador FM aceptable simplemente engadindo un filtro de paso alto a un demodulador AM. Tamén necesitamos un limitador, que é un circuíto que mitiga as variacións de amplitude restrinxindo o sinal recibido a unha certa amplitude. 

A existencia deste sinxelo e eficaz remedio para variacións de amplitude permite que FM poida manter a súa maior robustez (en comparación con AM) fronte ao ruído de amplitude: Non podemos usar un limitador con sinais AM porque restrinxir a amplitude corrompe a información codificada no portador. FM, pola súa banda, codifica toda a información nas características temporais do sinal transmitido.

Demodulación: o bucle bloqueado en fase
Pódese usar un bucle bloqueado por fase (PLL) para crear un circuíto complexo pero de alto rendemento para a demodulación FM. Un PLL pode "bloquear" a frecuencia dunha forma de onda entrante. Isto fai combinando un detector de fases, un filtro de paso baixo (tamén coñecido como "filtro de bucle") e un oscilador controlado por tensión (VCO) nun sistema de retroalimentación negativa, do seguinte xeito:

Despois de que o PLL se bloquee, pode crear unha sinusoide de saída que segue as variacións de frecuencia no sinusoide entrante. Esta forma de onda de saída teríase da saída do VCO. 

Non obstante, nunha aplicación de demodulador FM, non necesitamos un sinusoide de saída que teña a mesma frecuencia que o sinal de entrada. Pola contra, usamos a saída do filtro de bucle como sinal demodulado. Vexamos por que isto é posible.

O detector de fase produce un sinal proporcional á diferenza de fase entre a forma de onda entrante e a saída do VCO. O filtro de bucle suaviza este sinal, que despois se converte no sinal de control do VCO. 

Así, se a frecuencia do sinal de entrada está a aumentar e diminuír constantemente, o sinal de control de VCO ten que aumentar e diminuír en consecuencia para garantir que a frecuencia de saída de VCO permaneza igual á frecuencia de entrada. Noutras palabras, a saída do filtro de bucle é un sinal cuxas variacións de amplitude corresponden ás variacións de entrada-frecuencia. Así é como un PLL realiza a demodulación de frecuencias.

Resumo

* En LTspice, pódese xerar un sinusoide modulado en frecuencia usando a opción SFFM para fontes de tensión estándar.

* Unha técnica de demodulación FM sinxela e eficaz implica un filtro de paso alto (para a conversión FM-AM) seguido dun demodulador AM.

* Un demodulador FM baseado en filtros de alto paso é precedido por un limitador para evitar que as variacións de amplitude contribúan a un erro no sinal demodulado.

* Pódese usar un bucle bloqueado en fase para lograr a demodulación FM de alto rendemento. O uso de PLL de circuítos integrados fai que este enfoque sexa menos complexo do que podería parecer.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes