AM波形を復調する方法

無線周波数復調
振幅変調されたキャリア信号から元の情報を抽出できるXNUMXつの回路について説明します。

この時点で、変調とは正弦波を意図的に変更して、送信機から受信機に低周波情報を伝送できるようにすることを指します。 また、情報を搬送波にエンコードするさまざまな方法（振幅、周波数、位相、アナログ、デジタル）に関連する多くの詳細についても説明しました。

しかし、受信した信号からデータを抽出できない場合に、データを送信した信号に統合する理由はありません。そのため、復調を検討する必要があります。 

復調回路の範囲は、変更されたピーク検出器のような単純なものから、デジタル信号プロセッサによって実行される高度な復号化アルゴリズムと組み合わされたコヒーレント直交ダウンコンバージョンのような複雑なものまでさまざまです。

信号の作成
LTspiceを使用して、AM波形を復調する手法を研究します。 ただし、復調する前に、変調されたものが必要です。

AM変調ページでは、AM波形を生成するためにXNUMXつのことが必要であることがわかりました。 まず、ベースバンド波形とキャリア波形が必要です。 次に、ベースバンド信号に適切なDCオフセットを追加できる回路が必要です。 

そして最後に、振幅変調に対応する数学的関係がシフトされたベースバンド信号にキャリアを乗算するため、乗算器が必要です。

次のLTspice回路はAM波形を生成します。

* V1は、元のベースバンド信号を提供する1 MHz正弦波電圧源です。

* V3は、キャリアに対して100 MHzの正弦波を生成します。

*オペアンプ回路はレベルシフターです（入力振幅も半分になります）。 V1からの信号は–1 Vから+1 Vにスイングする正弦波であり、オペアンプの出力は0 Vから+1 Vにスイングする正弦波です。

* B1は「任意の動作電圧源」です。 その「値」フィールドは定数ではなく式です。 この場合、式は、シフトされたベースバンド信号にキャリア波形を乗算したものです。 このようにして、B1を使用して振幅変調を実行できます。

これはシフトされたベースバンド信号です：

そして、ここで、AMの変動がベースバンド信号にどのように対応するかを確認できます（つまり、青色の波形によってほとんど隠れているオレンジ色のトレース）。

復調

AM変調のページで説明したように、振幅変調の実行に使用される乗算演算には、ベースバンドスペクトルを正のキャリア周波数（+ fC）と負のキャリア周波数（–fC）を囲む帯域に転送する効果があります。 

したがって、振幅変調は、元のスペクトルをfCだけ上方にシフトし、fCだけ下方にシフトすると考えることができます。 したがって、変調信号にキャリア周波数を乗算すると、スペクトルが元の位置に戻ります。つまり、スペクトルが再び0 Hzを中心とするように、fCだけスペクトルを下方にシフトします。

オプション1：乗算とフィルタリング
次のLTspiceの回路図には、任意の動作電圧源の復調が含まれています。 B2はAM信号にキャリアを乗算します。

 

そしてここに結果があります：

これは間違いなく正しく見えません。 ズームインすると、次のようになります。

そして、これは問題を明らかにします。 振幅変調後、ベースバンドスペクトルは+ fCを中心とします。 AM波形をキャリアで乗算すると、ベースバンドスペクトルが0 Hzにシフトしますが、（上記のように）乗算によって既存のスペクトルがfCだけ上に移動し、fCだけ下に移動するため、2fC（この場合は200 MHz）までシフトします。 。

したがって、乗算だけでは適切な復調には不十分であることは明らかです。 必要なのは、乗算とローパスフィルターです。 フィルターは2fCまでシフトされたスペクトルを抑制します。 次の回路図には、カットオフ周波数が約1.5 MHzのRCローパスフィルターが含まれています。

そしてこれが復調された信号です：

受信機のキャリア周波数波形の位相は、送信機のキャリアの位相と同期する必要があるため、この手法は実際には見かけよりも複雑です。 これについては、この章の5ページでさらに説明します（直交復調について）。

オプション2：ピーク検出器

上記のAM波形（青色）とシフトしたベースバンド波形（オレンジ色）を示すプロットでわかるように、AMの「エンベロープ」の正の部分はベースバンド信号と一致しています。 

「エンベロープ」という用語は、（波形自体の瞬時値の変動とは対照的に）正弦波振幅のキャリアの変動を指します。 どうにかしてAMエンベロープの正の部分を抽出できれば、乗算器を使用せずにベースバンド信号を再現できます。

正のエンベロープを通常の信号に変換するのは非常に簡単であることがわかります。 ピーク検出器から始めます。ピーク検出器は、ダイオードとそれに続くコンデンサです。 

ダイオードは、入力信号がコンデンサの電圧より少なくとも0.7 V以上高いときに導通し、それ以外の場合は開回路のように動作します。 したがって、コンデンサはピーク電圧を維持します。現在の入力電圧がコンデンサ電圧より低い場合、逆バイアスされたダイオードが放電を防ぐため、コンデンサ電圧は低下しません。

ただし、ピーク電圧を長期間保持するピーク検出器は必要ありません。 代わりに、キャリア波形の高周波変動に関連するピークは保持するが、エンベロープの低周波変動に関連するピークは保持しない回路が必要です。 つまり、ピークを短時間だけ保持するピーク検出器が必要です。 

これは、コンデンサを放電させる並列抵抗を追加することで実現します。 （このタイプの回路は「リーキーピーク検出器」と呼ばれます。ここで、「リーキー」とは、抵抗によって提供される放電経路を指します。）抵抗は、放電がキャリア周波数を平滑化するのに十分遅く、エンベロープ周波数を平滑化しません。

AM復調用のリーキーピーク検出器の例を次に示します。

ダイオードの順方向電圧に対してピーク検出器の入力信号を大きくするために、AM信号をXNUMX倍に増幅していることに注意してください。 次のプロットは、リーキーピーク検出器で達成しようとしている一般的な結果を示しています。

最終的な信号は、予想される充電/放電特性を示しています。




ローパスフィルターを使用して、これらの変動を滑らかにすることができます。

まとめ

* LTspiceでは、任意の動作電圧源を使用してAM波形を作成できます。

* AM波形は、ローパスフィルターが後に続く乗算器を使用して復調できます。

*より簡単な（そして低コストの）アプローチは、リーキーピーク検出器、つまりコンデンサーが適切なレートで放電できる並列抵抗を持つピーク検出器を使用することです。

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