Comment démoduler une forme d'onde AM

Démodulation radiofréquence
Découvrez deux circuits qui peuvent extraire les informations d'origine d'un signal porteur modulé en amplitude.

À ce stade, nous savons que la modulation se réfère à la modification intentionnelle d'une sinusoïde de telle sorte qu'elle puisse transporter des informations de basse fréquence d'un émetteur à un récepteur. Nous avons également couvert de nombreux détails liés aux différentes méthodes - amplitude, fréquence, phase, analogique, numérique - de codage des informations dans une onde porteuse.

Mais il n'y a aucune raison d'intégrer des données dans un signal transmis si nous ne pouvons pas extraire ces données du signal reçu, et c'est pourquoi nous devons étudier la démodulation. 

Les circuits de démodulation vont de quelque chose d'aussi simple qu'un détecteur de crête modifié à quelque chose d'aussi complexe qu'une conversion descendante en quadrature cohérente combinée à des algorithmes de décodage sophistiqués exécutés par un processeur de signal numérique.

Création du signal
Nous utiliserons LTspice pour étudier les techniques de démodulation d'une forme d'onde AM. Mais avant de démoduler, nous avons besoin de quelque chose qui est modulé.

Dans la page de modulation AM, nous avons vu que quatre choses sont nécessaires pour générer une forme d'onde AM. Tout d'abord, nous avons besoin d'une forme d'onde en bande de base et d'une forme d'onde porteuse. Ensuite, nous avons besoin d'un circuit qui peut ajouter un décalage CC approprié au signal en bande de base. 

Et enfin, nous avons besoin d'un multiplicateur, car la relation mathématique correspondant à la modulation d'amplitude multiplie le signal de bande de base décalé par la porteuse.

Le circuit LTspice suivant générera une forme d'onde AM.

* V1 est une source de tension sinusoïdale de 1 MHz qui fournit le signal de bande de base d'origine.

* V3 produit une onde sinusoïdale de 100 MHz pour la porteuse.

* Le circuit d'ampli op est un décalage de niveau (il réduit également l'amplitude d'entrée de moitié). Le signal provenant de V1 est une onde sinusoïdale qui oscille de –1 V à +1 V, et la sortie de l'ampli-op est une onde sinusoïdale qui oscille de 0 V à +1 V.

* B1 est une «source de tension comportementale arbitraire». Son champ «valeur» est une formule plutôt qu'une constante; dans ce cas, la formule est le signal de bande de base décalé multiplié par la forme d'onde porteuse. De cette façon, B1 peut être utilisé pour effectuer une modulation d'amplitude.

Voici le signal de bande de base décalé:

Et ici, vous pouvez voir comment les variations AM correspondent au signal de bande de base (c'est-à-dire la trace orange qui est principalement masquée par la forme d'onde bleue):

Démodulation

Comme indiqué dans la page Modulation AM, l'opération de multiplication utilisée pour effectuer la modulation d'amplitude a pour effet de transférer le spectre de bande de base vers une bande entourant la fréquence porteuse positive (+ fC) et la fréquence porteuse négative (–fC). 

Ainsi, nous pouvons penser à la modulation d'amplitude comme décalant le spectre d'origine vers le haut de fC et vers le bas de fC. Il s'ensuit donc que la multiplication du signal modulé par la fréquence porteuse ramènera le spectre à sa position d'origine, c'est-à-dire qu'il décalera le spectre vers le bas de fC de sorte qu'il soit à nouveau centré autour de 0 Hz.

Option 1: multiplication et filtrage
Le schéma LTspice suivant comprend une source de tension comportementale arbitraire de démodulation; B2 multiplie le signal AM par la porteuse.

 

Et voici le résultat:

Cela ne semble certainement pas correct. Si nous zoomons, nous voyons ce qui suit:

Et cela révèle le problème. Après la modulation d'amplitude, le spectre de bande de base est centré autour de + fC. La multiplication de la forme d'onde AM par la porteuse décale le spectre de bande de base jusqu'à 0 Hz, mais elle le décale également jusqu'à 2fC (dans ce cas, 200 MHz), car (comme indiqué ci-dessus) la multiplication déplace le spectre existant vers le haut de fC et vers le bas de fC .

Il est donc clair que la multiplication seule n'est pas suffisante pour une bonne démodulation. Ce dont nous avons besoin, c'est d'une multiplication et d'un filtre passe-bas; le filtre supprime le spectre qui a été décalé jusqu'à 2fC. Le schéma suivant comprend un filtre passe-bas RC avec une fréquence de coupure de ~ 1.5 MHz.

Et voici le signal démodulé:

Cette technique est en fait plus compliquée qu'il n'y paraît car la phase de la forme d'onde de fréquence porteuse du récepteur doit être synchronisée avec la phase de la porteuse de l'émetteur. Ceci est discuté plus en détail à la page 5 de ce chapitre (Comprendre la démodulation en quadrature).

Option 2: Détecteur de crête

Comme vous pouvez le voir ci-dessus dans le graphique qui montre la forme d'onde AM (en bleu) et la forme d'onde de bande de base décalée (en orange), la partie positive de l '«enveloppe» AM correspond au signal de bande de base. 

Le terme «enveloppe» fait référence aux variations de l'amplitude sinusoïdale du porteur (par opposition aux variations de la valeur instantanée de la forme d'onde elle-même). Si nous pouvions en quelque sorte extraire la partie positive de l'enveloppe AM, nous pourrions reproduire le signal en bande de base sans utiliser de multiplicateur.

Il s'avère qu'il est assez facile de convertir l'enveloppe positive en un signal normal. Nous commençons par un détecteur de crête, qui n'est qu'une diode suivie d'un condensateur. 

La diode est conductrice lorsque le signal d'entrée est au moins ~ 0.7 V au-dessus de la tension sur le condensateur, et sinon elle agit comme un circuit ouvert. Ainsi, le condensateur maintient la tension de crête: si la tension d'entrée actuelle est inférieure à la tension du condensateur, la tension du condensateur ne diminue pas car la diode polarisée en inverse empêche la décharge.

Cependant, nous ne voulons pas d'un détecteur de crête qui conservera la tension de crête pendant une longue période de temps. Au lieu de cela, nous voulons un circuit qui conserve le pic par rapport aux variations à haute fréquence de la forme d'onde porteuse, mais ne conserve pas le pic par rapport aux variations à basse fréquence de l'enveloppe. En d'autres termes, nous voulons un détecteur de pic qui ne retienne le pic que pendant une courte période de temps. 

Nous accomplissons cela en ajoutant une résistance parallèle qui permet au condensateur de se décharger. (Ce type de circuit est appelé «détecteur de crête qui fuit», où «qui fuit» fait référence au chemin de décharge fourni par la résistance.) La résistance est choisie de telle sorte que la décharge soit suffisamment lente pour lisser la fréquence porteuse et suffisamment rapide pour pas lisser la fréquence d'enveloppe.

Voici un exemple de détecteur de crête qui fuit pour la démodulation AM:

Notez que j'ai amplifié le signal AM par un facteur de cinq afin d'augmenter le signal d'entrée du détecteur de crête par rapport à la tension directe de la diode. Le graphique suivant donne le résultat général que nous essayons d'obtenir avec le détecteur de crête qui fuit.

Le signal final présente la caractéristique de charge / décharge attendue:




Un filtre passe-bas pourrait être utilisé pour atténuer ces variations.

Résumé

* Dans LTspice, une source de tension comportementale arbitraire peut être utilisée pour créer une forme d'onde AM.

* Les formes d'ondes AM peuvent être démodulées à l'aide d'un multiplicateur suivi d'un filtre passe-bas.

* Une approche plus simple (et moins coûteuse) consiste à utiliser un détecteur de crête qui fuit, c'est-à-dire un détecteur de crête avec une résistance parallèle qui permet au condensateur de se décharger à un taux approprié.

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