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Comment démoduler une forme d'onde FM

Date:2020/5/22 14:31:04 Hits:


Démodulation radiofréquence
Découvrez deux techniques de récupération du signal en bande de base d'une porteuse modulée en fréquence.

La modulation de fréquence offre des performances améliorées par rapport à la modulation d'amplitude, mais il est un peu plus difficile d'extraire les informations d'origine d'une forme d'onde FM. Il existe plusieurs façons de démoduler la FM; dans cette page, nous en discuterons deux. L'un d'eux est assez simple et l'autre est plus complexe.

Création du signal
Comme dans Comment démoduler une forme d'onde AM, nous utiliserons LTspice pour explorer la démodulation FM, et encore une fois, nous devons d'abord effectuer une modulation de fréquence afin d'avoir quelque chose à démoduler. 


Si vous regardez la page sur la modulation de fréquence analogique, vous verrez que la relation mathématique est moins simple que celle de la modulation d'amplitude. 


Avec AM, nous avons simplement ajouté un décalage puis effectué une multiplication ordinaire. Avec FM, nous devons ajouter des valeurs variant en continu à la quantité à l'intérieur d'une fonction sinus (ou cosinus), et en outre, ces valeurs variant en continu ne sont pas le signal de bande de base mais plutôt l'intégrale du signal de bande de base.

Par conséquent, nous ne pouvons pas générer une forme d'onde FM en utilisant une source de tension comportementale arbitraire et une relation mathématique simple, comme nous l'avons fait avec AM. Il s'avère, cependant, qu'il est en fait plus facile de générer un signal FM. Nous utilisons simplement l'option SFFM pour une source de tension normale:



Le «circuit» suivant est tout ce dont nous avons besoin pour créer une forme d'onde FM composée d'une porteuse de 10 MHz et d'un signal en bande de base sinusoïdale de 1 MHz:




Notez que l'indice de modulation est de cinq; un indice de modulation plus élevé permet de voir plus facilement les variations de fréquence. Le tracé suivant montre la forme d'onde créée par la source de tension SFFM.




Démodulation: le filtre passe-haut
La première technique de démodulation que nous verrons commence par un filtre passe-haut. Nous supposerons qu'il s'agit de FM à bande étroite. Nous devons concevoir le filtre passe-haut de telle sorte que l'atténuation varie considérablement dans une bande de fréquences dont la largeur est le double de la largeur de bande du signal de bande de base. Explorons ce concept de manière plus approfondie.

Le signal FM reçu aura un spectre centré autour de la fréquence porteuse. La largeur du spectre est approximativement égale au double de la largeur de bande du signal en bande de base; le facteur deux résulte du décalage des fréquences de bande de base positives et négatives, et il est «approximativement» égal car l'intégration appliquée au signal de bande de base peut affecter la forme du spectre modulé. 


Ainsi, la fréquence la plus basse du signal modulé est approximativement égale à la fréquence porteuse moins la fréquence la plus élevée du signal en bande de base, et la fréquence la plus élevée du signal modulé est approximativement égale à la fréquence porteuse plus la fréquence la plus élevée du signal en bande de base.


Notre filtre passe-haut doit avoir une réponse en fréquence qui permet d'atténuer la fréquence la plus basse du signal modulé bien plus que la fréquence la plus élevée du signal modulé. Si nous appliquons ce filtre à une forme d'onde FM, quel sera le résultat? Ce sera quelque chose comme ça:




Ce tracé montre à la fois la forme d'onde FM d'origine et la forme d'onde filtrée passe-haut, à des fins de comparaison. Le graphique suivant montre uniquement la forme d'onde filtrée, afin que vous puissiez la voir plus clairement.





En appliquant le filtre, nous avons transformé la modulation de fréquence en modulation d'amplitude. Il s'agit d'une approche pratique de la démodulation FM, car elle nous permet de bénéficier des circuits de détection d'enveloppe qui ont été développés pour une utilisation avec la modulation d'amplitude. Le filtre utilisé pour produire cette forme d'onde n'était rien de plus qu'un passe-haut RC avec une fréquence de coupure approximativement égale à la fréquence porteuse.

Bruit d'amplitude

La simplicité de ce schéma de démodulation nous fait naturellement penser que ce n'est pas l'option la plus performante, et en fait cette approche a un gros défaut: elle est sensible aux variations d'amplitude. 


Le signal transmis aura une enveloppe constante car la modulation de fréquence n'implique pas de changements d'amplitude de la porteuse, mais le signal reçu n'aura pas d'enveloppe constante car l'amplitude est inévitablement affectée par des sources d'erreur.


Par conséquent, nous ne pouvons pas concevoir un démodulateur FM acceptable simplement en ajoutant un filtre passe-haut à un démodulateur AM. Nous avons également besoin d'un limiteur, qui est un circuit qui atténue les variations d'amplitude en restreignant le signal reçu à une certaine amplitude. 


L'existence de ce remède simple et efficace pour les variations d'amplitude permet au FM de maintenir sa plus grande robustesse (par rapport à AM) contre le bruit d'amplitude: nous ne pouvons pas utiliser un limiteur avec des signaux AM car restreindre l'amplitude corrompt les informations encodées dans la porteuse. FM, d'autre part, code toutes les informations dans les caractéristiques temporelles du signal transmis.


Démodulation: la boucle à verrouillage de phase
Une boucle à verrouillage de phase (PLL) peut être utilisée pour créer un circuit complexe mais performant pour la démodulation FM. Une PLL peut «verrouiller» la fréquence d'une forme d'onde entrante. Pour ce faire, il combine un détecteur de phase, un filtre passe-bas (ou «filtre en boucle») et un oscillateur commandé en tension (VCO) dans un système à rétroaction négative, comme suit:





Une fois la PLL verrouillée, elle peut créer une sinusoïde de sortie qui suit les variations de fréquence dans la sinusoïde entrante. Cette forme d'onde de sortie proviendrait de la sortie du VCO. 


Dans une application de démodulateur FM, cependant, nous n'avons pas besoin d'une sinusoïde de sortie qui a la même fréquence que le signal d'entrée. Au lieu de cela, nous utilisons la sortie du filtre de boucle comme un signal démodulé. Voyons pourquoi cela est possible.


Le détecteur de phase produit un signal proportionnel à la différence de phase entre la forme d'onde entrante et la sortie du VCO. Le filtre en boucle lisse ce signal, qui devient alors le signal de commande du VCO. 


Ainsi, si la fréquence du signal entrant augmente et diminue constamment, le signal de commande du VCO doit augmenter et diminuer en conséquence pour garantir que la fréquence de sortie du VCO reste égale à la fréquence d'entrée. En d'autres termes, la sortie du filtre de boucle est un signal dont les variations d'amplitude correspondent aux variations de fréquence d'entrée. C'est ainsi qu'une PLL réalise la démodulation de fréquence.


Résumé

* Dans LTspice, une sinusoïde modulée en fréquence peut être générée en utilisant l'option SFFM pour les sources de tension standard.


* Une technique de démodulation FM simple et efficace implique un filtre passe-haut (pour la conversion FM-AM) suivi d'un démodulateur AM.


* Un démodulateur FM à filtre passe-haut est précédé d'un limiteur pour empêcher les variations d'amplitude de contribuer à l'erreur du signal démodulé.


* Une boucle à verrouillage de phase peut être utilisée pour obtenir une démodulation FM haute performance. L'utilisation de PLL à circuit intégré rend cette approche moins complexe qu'il n'y paraît.





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