Что такое демодуляция как преобразуется модулированный сигнал при демодуляции

Модуляция и Демодуляция

Модуляция и Демодуляция

компьютер с терминалом.

Смотреть что такое «Модуляция и Демодуляция» в других словарях:

модуляция-демодуляция — М ДМ — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы М ДМ EN modulation demodulation … Справочник технического переводчика

Демодуляция — (Детектирование сигнала) процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала. Для передачи энергии электромагнитной волны используются… … Википедия

МОДУЛЯЦИЯ — процесс изменения какого либо параметра периодических колебаний высокой (несущей) частоты (механических, электрических, световых и др.) в соответствии с изменениями параметров др. колебаний более низкой (моделирующей) частоты. По виду М. делится… … Большая политехническая энциклопедия

Модуляция — У этого термина существуют и другие значения, см. Модуляция (значения). Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · С … Википедия

демодуляция — (процесс, обратный модуляции колебаний), преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала. * * * ДЕМОДУЛЯЦИЯ ДЕМОДУЛЯЦИЯ (процесс, обратный модуляции колебаний (см. МОДУЛЯЦИЯ… … Энциклопедический словарь

Демодуляция — процесс, обратный модуляции колебаний (См. Модуляция колебаний). Подробнее см. Детектирование … Большая советская энциклопедия

Импульсно-кодовая модуляция — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Амплитудная модуляция — Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн … Википедия

Фазовая модуляция — Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн … Википедия

Частотная модуляция — Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМ … Википедия

Источник

Как демодулировать амплитудно-модулированный сигнал

Рассмотрим две схемы, которые могут извлекать исходную информацию из амплитудно-модулированного сигнала несущей частоты.

На этом этапе мы знаем, что модуляция относится к преднамеренной модификации синусоиды, так чтобы она могла передавать низкочастотную информацию от передатчика к приемнику. Мы также рассмотрели множество деталей, относящихся к различным (амплитудному, частотному, фазовому, аналоговому, цифровому) методам кодирования информации в сигнале несущей.

Но зачем интегрировать данные в передаваемый сигнал, если мы не сможем извлечь эти данные из принятого сигнала; и именно поэтому нам необходимо изучить демодуляцию. Схемотехника демодуляции варьируется от чего-то столь же простого, как модифицированный пиковый детектор, до чего-то сложного, как когерентное квадратурное понижающее преобразование в сочетании со сложными алгоритмами декодирования, выполняемыми цифровым сигнальным процессором.

Создание сигнала

Для изучения методов демодуляции AM сигнала мы будем использовать LTspice. Но прежде чем демодулировать, нам понадобится модулированный сигнал.

В статье про AM модуляцию мы видели, что для генерации AM сигнала необходимы четыре вещи. Во-первых, нам нужны низкочастотный модулирующий сигнал и сигнал несущей частоты. Затем нам нужна схема, которая может добавить к низкочастотному сигналу соответствующее смещение по постоянному напряжению. И, наконец, нам нужен умножитель, поскольку математическая связь, соответствующая амплитудной модуляции, заключается в умножении смещенного низкочастотного сигнала на сигнал несущей.

Следующая схема LTspice будет генерировать AM сигнал.

Ниже показан смещенный по напряжению низкочастотный сигнал.

Смещенный по напряжению низкочастотный модулирующий сигнал

А здесь вы можете видеть, как изменения амплитудно-модулированного сигнала согласуются с низкочастотным модулирующим сигналом (т.е. с оранжевым графиком, который в основном затенен синим графиком сигнала несущей).

Полученный амплитудно-модулированный сигнал

Увеличение масштаба по времени показывает отдельные периоды несущей частоты 100 МГц.

Полученный амплитудно-модулированный сигнал (увеличенный масштаб по оси времени)

Демодуляция

Как обсуждалось на странице амплитудной модуляции, операция умножения, используемая для реализации амплитудной модуляции, приводит к переносу спектра низкочастотного сигнала в полосы, окружающие положительную несущую частоту (+f_нес) и отрицательную несущую частоту (–f_нес). Таким образом, мы можем думать об амплитудной модуляции как о сдвиге исходного спектра вверх на величину f_нес и вниз на величину f_нес. Из этого следует, что умножение модулированного сигнала на несущую частоту будет возвращать спектр обратно в исходное положение, т.е. будет смещать спектр вниз на fнес таким образом, чтобы он снова был отцентрирован вокруг 0 Гц.

Вариант 1: умножение и фильтрация

Следующая схема LTspice включает в себя демодулирующий источник напряжения с произвольным поведением; B2 умножает AM сигнал на несущую.

Схема умножения AM сигнала на несущую

Он явно не выглядит правильным. Если мы увеличим масштаб, то увидим следующее:

Полученный сигнал (увеличенный масштаб по оси времени)

Это и раскрывает проблему. После амплитудной модуляции спектр низкочастотного сигнала центрирован вокруг +f_нес. Умножение амплитудно-модулированного сигнала смещается спектр низкочастотного модулирующего сигнала вниз до 0 Гц, но также сдвигает его и до 2f_нес (в данном случае 200 МГц), поскольку (как сказано выше) умножение перемещает существующий спектр вверх на величину f_нес и вниз на величину f_нес.

Понятно, что для правильной демодуляции недостаточно одного умножения. Нам необходимо умножение и фильтр нижних частот; фильтр будет подавлять спектр, сдвинутый до 2f_нес. Следующая схема включает в себя RC фильтр нижних частот с частотой среза

Схема умножения AM сигнала на несущую и последующим фильтром нижних частот

И ниже показан демодулированный сигнал:

Демодулированный сигнал

Этот метод на самом деле более сложный, чем кажется, потому что фаза сигнала несущей частоты приемника должна быть синхронизирована с фазой несущей передатчика. Это обсуждается далее в пятой статье данной главы («Понятие квадратурной демодуляции»).

Вариант 2: пиковый детектор

Как вы можете видеть на графике, который приведен выше и показывает амплитудно-модулированный сигнал (синий) и смещенный низкочастотный модулирующий сигнал (оранжевый), положительная часть «огибающей» AM сигнала соответствует низкочастотному сигналу. Термин «огибающая» относится к изменениям амплитуды синусоиды несущей (а не к изменениям мгновенной величины самого сигнала). Если бы мы могли каким-то образом извлечь положительную часть огибающей AM сигнала, то могли бы восстановить низкочастотный сигнал без использования умножителя.

Оказывается, что это довольно легко, преобразовать положительную огибающую в обычный сигнал. Начнем с пикового детектора, который представляет собой только диод, за которым следует конденсатор. Диод проводит ток, когда входной сигнал минимум на

0,7 В выше напряжения на конденсаторе, в противном случае он действует как разомкнутая цепь. Таким образом, конденсатор поддерживает пиковое напряжение: если текущее входное напряжение ниже напряжения конденсатора, напряжение конденсатора не уменьшается, поскольку смещенный в обратном направлении диод предотвращает разряд.

Однако мы не хотим, чтобы пиковый детектор сохранял пиковое напряжение в течение длительного периода времени. Вместо этого нам нужна схема, которая сохраняет пик относительно высокочастотных колебаний сигнала несущей, но не сохраняет пик относительно низкочастотных изменений огибающей. Другими словами, нам нужен пиковый детектор, который удерживает пик только в течение короткого периода времени. Мы можем достичь этого, добавив параллельное сопротивление, которое позволяет конденсатору разряжаться (этот тип схемы называется «пиковый детектор с утечкой», где «утечка» относится к пути разряда, обеспечиваемому резистором). Сопротивление выбирается таким образом, чтобы разряд был достаточно медленным, чтобы сгладить несущую частоту, и достаточно быстрым, чтобы не сглаживать частоту огибающей.

Ниже приведен пример пикового детектора с утечкой для демодуляции AM сигнала:

Пиковый детектор с утечкой

Обратите внимание, что я усилил AM сигнал в пять раз, чтобы сделать входной сигнал пикового детектора большим по сравнению с прямым напряжением диода. Следующий график показывает общий результат, который мы пытаемся достичь с помощью пикового детектора с утечкой.

Конечный сигнал показывает ожидаемую диаграмму заряда/разряда:

Заряд и разряд конденсатора пикового детектора

Для сглаживания этих колебаний может использоваться фильтр нижних частот.

Источник

Владимир Леонидов

Визитная карточка

Модуляция и демодуляция цифровых сигналов — конспект лекции

Введение

Передача информации в современном мире нас окружает повсюду: мобильная связь, интернет, управление воздушным движением и многое другое. Как правило, в качестве “переносчика” информации выступает высокочастотное колебание: 2.4 ГГц и 5 ГГц для Wi-Fi, 2.6 ГГц и другие для 4G, 1030 МГц и 1090 МГц для обмена данными с воздушными судами и т.д. Эти колебания (частоты) называются несущими. Как, используя несущую частоту, закодировать данные? Как передать или получить “0” или “1”? На эти вопросы мы и постараемся ответить.

Процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала называется модуляцией.

В рамках данной лекции мы рассмотрим следующие виды модуляции:

Амплитудная манипуляция (ASK)

Амплитудная манипуляция — манипуляция, при которой скачкообразно изменяется амплитуда несущего сигнала в зависимости от закодированного сообщения.

Результат выполнения скрипта показан ниже:

Амплитудная манипуляция

Из рисунка видно, что амплитуда несущего (модулированного) сигнала — синий график — повторяет форму модулирующего сигнала — оранжевый график.

Сигнальное созвездие ASK-модулированного сигнала

Т.к. мнимая часть равна нулю, мы видим два скопления точек вдоль действительной оси: одно вокруг значения 0.1, второе — вокруг 1. Этот график называется сигнальное созвездие. Он часто используется при анализе характеристик модулированных сигналов, т.к. показывает распределение мгновенного значения сигнала на комплексной плоскости в момент его считывания.

Итак, модулированный сигнал есть — попробуем его обратно демодулировать. Наша задача сводится к нахождению огибающей, а как мы выяснили на прошлой лекции — это легко сделать с помощью преобразования Гильберта. Затем создадим что-то вроде цифрового компаратора, с помощью которого зашумлённую огибающую превратим в прямоугольный цифровой сигнал. Дополним наш код:

Демодуляция ASK-модулированного сигнала

Фазовая манипуляция (PSK)

Фазовая манипуляция — манипуляция, при которой скачкообразно изменяется фаза несущего сигнала в зависимости от закодированного сообщения.

Начнём с самого простого вида — BPSK — когда у нас всего два значения фазы — и .

Смотрим, что получилось:

Каждое изменение логического уровня модулирующего сигнала приводит к скачкообразному изменению фазы несущей частоты на , а это то, что нужно.

Теперь дополним код по аналогии с предыдущим примером и построим сигнальное созвездие:

Сигнальное созвездие BPSK-сигнала:

Сигнальное созвездие BPSK-сигнала

Мы имеем два скопления точек: вокруг (-1,0) и (1,0). Эти точки как раз соответствуют повороту вектора единичной длины на и вокруг начала координат. А значит, модуляция работает корректно.

Обработка BPSK-модулированного сигнала

Демодулированный сигнал на фоне модулированного сигнала представлен ниже:

Демодуляция BPSK-модулированного сигнала

Как видим, он повторяет форму модулирующего сигнала, заданного в начале листинга, но имеет временную задержку, возникающую в КИХ-ФНЧ.

Получилось вот так:

Сигнальное созвездие сигнала с QPSK

Мы видим скопление точек вокруг значений , , , , каждая из которых соответствует положению единичного вектора, начало которого соответствует началу координат, при его повороте с шагом . Соответствие фазы и передаваемой информации будет иметь следующий вид:

Это значит, что при при той же самой символьной скорости сигнал с QPSK передаёт в 2 раза больше информации, чем сигнал с BPSK.

Сигнальное созвездие сигнала с 8-PSK

Квадратурная манипуляция (QASK)

QASK (частный случай QAM — Quadrature Amplitude Modulation) — это вид манипуляции, при которой скачкообразно изменяется как амплитуда, так и фаза несущего сигнала, что позволяет за один такт (отсчёт) передать ещё больше информации, чем в рассмотренных ранее видах манипуляции. Можно сказать, что QASK — это комбинация ASK и PSK.

Результат показан ниже:

Сигнальное созвездие сигнала с 16-QASK

Это созвездие состоит из 16 групп точек, а значит сформированный сигнал принимает все возможные значения для QASK-манипуляции 16 порядка.

Действительная и мнимая части сигнала, а также сам сигнал y можно увидеть на рисунке ниже:

Синфазная, квадратурная составляющие и QASK-модулированный сигнал

Видно, что в процессе передачи данных изменяется как амплитуда, так и фаза несущей.

Синфазная и квадратурная составляющие демодулированного QASK-сигнала

Следует обратить внимание, что при выделении синфазной и квадратурной составляющей, мы также сделали умножение на два (и получили при этом правильные амплитуды). Давайте разбираться, в чём дело. Как было сказано выше, входной сигнал был умножен на функции и . При умножении на косинус получаем сигнал:

(1)

При умножении на синус:

(2)

После применения ФНЧ косинусоидальные и синусоидальные составляющие уходят, остаётся только постоянная составляющая:

(3)

(4)

Поэтому, чтобы скомпенсировать амплитуду демодулированного сигнала, в строчках 49 и 50 мы и сделали умножение на 2.

Синий график на рисунке отображает входные данные, на основе которых был сформирован модулированный сигнал, красными крестиками — данные, полученные в результате демодуляции этого сигнала:

Сравнение данных до QASK-модуляции и после демодуляции

Как видим, два графика полностью совпадают, а это говорит о том, что реализованный нами алгоритм работает корректно.

Частотная манипуляция (FSK)

Если во всех предыдущих рассмотренных нами видах манипуляции частота несущей была постоянна, то в случае с FSK это не так. FSK — это манипуляция, при которой в зависимости от закодированного сообщения скачкообразно изменяется частота несущего сигнала.

Данный вид манипуляции считается самым помехоустойчивым, т.к. помехи чаще всего влияют на амплитуду, а не на несущую частоту. Частота логического “0” и логической “1” вычисляются по формулам:

(5)

(6)

При манипуляция называется Minimum Shift Keying (MSK) — манипуляция с минимальным сдвигом частоты.

Далее сформируем модулирующий сигнал по аналогии с тем, как мы это делали в примерах с BPSK и ASK:

Результат выполнения данного скрипта:

Из рисунка видно, что в зависимости от значения модулирующего сигнала, меняется частота несущей — это то, что нам нужно. Модулировать научились — теперь попробуем это демодулировать. Для этого умножим наш сигнал на косинусоиды с частотами f0 и f1 :

Сигналы y0 и y1 показаны ниже:

Результаты выполнения листинга “FSK-манипуляция, часть 4”

Теперь найдём разность этих сигналов и пропустим её через ФНЧ:

Результат показан ниже:

Результаты выполнения листинга “FSK-манипуляция, часть 5”

До финала осталось совсем немного — преобразовать нижний график в цифровой сигнал. Для этого, как и в случае с BPSK, воспользуемся цифровым компаратором и построим результирующий график:

Результат демодуляции показан ниже:

Как видим, оранжевый график имеет ту же форму, что и на первоначальном рисунке, но с уже привычной нам временной задержкой, возникающей в цифровом КИХ-фильтре.

Источник

Как демодулировать частотно-модулированный сигнал

Рассмотрим два способа восстановления низкочастотного сигнала из частотно-модулированной несущей.

Частотная модуляция по сравнению с амплитудной обеспечивает лучшую производительность, но извлечь исходную информацию из частотно-модулированного сигнала несколько сложнее. Существует несколько различных способов демодуляции FM сигнала; в данной статье мы обсудим два из них. Первый довольно прост, а другой более сложный.

Создание сигнала

Как и в статье «Как демодулировать амплитудно-модулированный сигнал» для изучения демодуляции FM сигнала мы будем использовать LTspice, и снова нам надо сперва реализовать частотную модуляцию, чтобы у нас было что демодулировать. Если вы посмотрите на страницу аналоговой частотной модуляции, то увидите, что ее математическое выражение менее просто, чем у амплитудной модуляции. С AM мы просто добавили смещение, а затем выполнили обычное умножение. С FM нам нужно добавлять непрерывно изменяющиеся значения к величине внутри функции синуса (или косинуса), и, кроме того, эти непрерывно изменяющиеся значения являются не низкочастотным сигналом, а интегралом низкочастотного сигнала.

Следовательно, мы не можем генерировать FM сигнал с использованием источника напряжения с произвольным поведением и простого математического выражения, как это было с AM. Однако, оказывается, что на самом деле FM сигнал генерировать проще. Мы просто используем опцию SFFM обычного источника напряжения:

Опция SFFM источника напряжения для генерирования частотно-модулированного сигнала

Следующая «схема» – это всё, что нам нужно для создания FM сигнала, состоящего из несущей 10 МГц и низкочастотного синусоидального сигнала 1 МГц:

«Схема» формирования частотно-модулированного сигнала

Обратите внимание, что индекс модуляции равен пяти; более высокий индекс модуляции облегчает просмотр изменений частоты. На следующем графике показан сигнал, созданный SFFM источником напряжения.

Полученный частотно-модулированный сигнал

Демодуляция: фильтр верхних частот

Первый метод демодуляции, который мы рассмотрим, начинается с фильтра верхних частот. Предположим, что мы имеем дело с узкополосной частотной модуляцией (которая кратко обсуждается на этой странице). Нам нужно разработать фильтр верхних частот таким образом, чтобы затухание значительно изменялось в полосе частот, ширина которой в два раза превышает ширину полосы низкочастотного сигнала. Давайте рассмотрим эту концепцию более подробно.

Принятый FM сигнал будет иметь спектр, который центрирован вокруг несущей частоты. Ширина спектра приблизительно равна удвоенной ширине полосы низкочастотного сигнала; коэффициент два является результатом сдвига положительной и отрицательной частот низкочастотного модулирующего сигнала (как обсуждалось здесь), и она «приблизительно» равна, поскольку интегрирование, применяемое к низкочастотному сигналу, может влиять на форму спектра модулированного сигнала. Таким образом, самая низкая частота в модулированном сигнале приблизительно равна несущей частоте минус самая высокая частота в низкочастотном модулирующем сигнале, а самая высокая частота в модулированном сигнале приблизительно равна несущей частоте плюс самая высокая частота в низкочастотном модулирующем сигнале.

Наш фильтр верхних частот должен обладать амплитудно-частотной характеристикой, которая заставляет наименьшую частоту в модулированном сигнале ослабевать значительно больше, чем самая высокая частота в модулированном сигнале. Каков будет результат, если мы применим этот фильтр к FM сигналу? Это будет выглядеть примерно так:

FM сигнал до и после пропускания через фильтр верхних частот

Для сравнения данная диаграмма показывает и исходный FM сигнал, и FM сигнал, пропущенный через фильтр верхних частот. Следующая диаграмма показывает только отфильтрованный сигнал, так что вы можете рассмотреть его более четко.

FM сигнал после пропускания через фильтр верхних частот

Используя фильтр верхних частот, мы превратили частотную модуляцию в амплитудную модуляцию. Это удобный подход для демодуляции FM, поскольку он позволяет нам использовать схему детектора огибающей, разработанную для амплитудной модуляции. Фильтр, используемый для получения этого сигнала, был не более чем RC-фильтром верхних частот с частотой среза, приблизительно равной несущей частоте.

Амплитудный шум

Простота этой схемы демодуляции, естественно, заставляет нас задуматься, что это не самый высокопроизводительный вариант, и на самом деле этот подход имеет большую слабость: он чувствителен к изменениям амплитуды. Передаваемый сигнал будет иметь ровную огибающую, поскольку частотная модуляция не предполагает изменений амплитуды несущей, но у принятого сигнала огибающая не будет ровной, поскольку на амплитуду неизбежно влияют источники помех.

Следовательно, мы не можем разработать приемлемый частотный демодулятор просто добавив фильтр верхних частот к амплитудному демодулятору. Нам также нужен ограничитель, который представляет собой схему, которая уменьшает изменения амплитуды, ограничивая принимаемый сигнал до определенной амплитуды. Существование этого простого и эффективного средства для борьбы с изменениями амплитуды позволяет частотной модуляции поддерживать свою высокую (по сравнению с амплитудной модуляцией) устойчивость к амплитудному шуму. Мы не можем использовать ограничитель с AM сигналами, поскольку ограничение амплитуды исказит информацию, закодированную в несущей. FM, с другой стороны, кодирует всю информацию во временны́х характеристиках передаваемого сигнала.

Демодуляция: петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL)

Петля фазовой автоподстройки частоты (PLL, phase-locked loop) может использоваться для создания сложной, но высокопроизводительной схемы для демодуляции FM сигнала. PLL может «захватывать» частоту входящего сигнала. Она делает это, объединяя фазовый детектор, фильтр нижних частот (он же «петлевой фильтр») и генератор, управляемый напряжением, (ГУН, VCO, voltage-controlled oscillator) в систему отрицательной обратной связи следующим образом:

Схема петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL)

После того, как петля ФАПЧ захватила частоту входного сигнала, она может создать выходную синусоиду, которая следует за изменениями частоты входной синусоиды. Этот выходной сигнал может быть взят с выхода ГУН. Однако при использовании в FM демодуляторе нам не нужна выходная синусоида с той же частотой, что и входной сигнал. Вместо этого мы используем выходной сигнал с петлевого фильтра в качестве демодулированного сигнала. Давайте посмотрим, почему это возможно.

Фазовый детектор генерирует сигнал, который пропорционален разности фаз между входным сигналом и выходным сигналом ГУН. Петлевой фильтр сглаживает этот сигнал, который затем становится управляющим сигналом для ГУН. Таким образом, если частота входного сигнала постоянно увеличивается или уменьшается, сигнал управления ГУН соответственно будет увеличиваться и уменьшаться, чтобы гарантировать, что выходная частота ГУН останется равной входной частоте. Другими словами, выход петлевого фильтра представляет собой сигнал, амплитудные изменения которого соответствуют изменениям входной частоты. Так PLL выполняет частотную демодуляцию.

Источник