Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.12 Demodulowanie sygnału AM demodulator obwiedni
1. Demodulowanie sygnału AM demodulator obwiedni Ćwiczenie to ma na celu poznanie zasady demodulowania sygnału AM, przy wykorzystaniu demodulatora obwiedni znajdującego się w Odbiorniku AM / DSB. 1.1. Część teoretyczna Każdy układ, w którym sygnał wyjściowy powstaje z obwiedni sygnału AM, może służyć jako demodulator i być używany do demodulowania sygnału częstotliwości radiowej. Jednym z częściej używanych i prostszych demodulatorów jest nieliniowy układ ładowania kondensatora, który tworzy szeregowo połączona dioda oraz układ RC pokazany na rysunku 1.1. Demodulator ten zwany jest również jako demodulator diodowy. C R Rysunek 1.1. Demodulator obwiedni. Układ zaprojektowany jest w ten sposób, że pozwala na uzyskanie szybkich czasów ładowania i wolnych czasów rozładowania kondensatora. Rezystor spełnia w nim rolę regulatora czasu rozładowania. Jeśli sygnał AM, pokazany na rysunku 1.2 (a) zostanie podany na wejście układu, będzie on poddany prostowaniu jedno połówkowemu tak jak to zostało pokazane na rysunku 1.2 (b). Rysunek 1.2. Sygnały teoretyczne podawane na wejście i uzyskiwane z wyjścia demodulatora obwiedni. Sposób działania demodulatora obwiedni jest następujący: w dodatnich połówkach sygnału wejściowego, kondensator ładuje się do wartości szczytowej tego sygnału. Zatem napięcie na elementach RC będzie równe napięciu sygnału wejściowego, ponieważ dioda spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia. Gdy sygnał wejściowy zejdzie poniżej tej wartości, dioda zostaje spolaryzowana w kierunku zaporowym, natomiast kondensator rozpoczyna powolne rozładowywanie się poprzez rezystor, którego wartość określona jest przez stałą czasową RC. Dla kolejnej dodatniej połówki sygnału wejściowego, dioda ponownie polaryzowana jest w kierunku przewodzenia, a kondensator ładuje się do nowej wartości określonej przez sygnał wejściowy. Rysunek 1.3 przedstawia proces ładowania i rozładowania kondensatora.
Rysunek 1.3. Proces ładowania i rozładowania kondensatora w układzie detektora. Na rysunku 1.3 została przedstawiona optymalna wartość stałej czasowej RC dla rozładowania kondensatora. Jeśli stała czasowa jest zbyt duża lub zbyt mała, sygnał wyjściowy z demodulatora nie będzie w sposób wierny odtwarzał obwiedni sygnału wejściowego. Rysunek 1.4 przedstawia efekty występowania zbyt dużej lub zbyt małej stałej czasowej RC. Rysunek 1.4. Efekty rozładowania kondensatora z różnym stałymi czasowymi. Optymalna wartość stałej czasowej RC osiągana jest w momencie gdy stała czasowa równa jest maksymalnemu ujemnemu nachyleniu obwiedni. Ponieważ obwiednia reprezentuje przebieg sygnału wiadomości, stała czasowa RC jest funkcją częstotliwości sygnału modulującego i indeksu modulacji. Poniższe równanie przedstawia optymalną wartość stałej czasowej rozładowania kondensatora. 1 RCoptimum = m 2π f m Po detekcji, sygnał wyjściowy demodulatora obwiedni zazwyczaj jest poddawany filtrowaniu przez filtr dolnoprzepustowy w celu usunięcia szumów i niepożądanych składowych harmonicznych. Często do usuwania poziomu dc, jaki został wprowadzony przez nośną używane jest sprzężenie pojemnościowe. Jedną z głównych wad demodulatora diodowego obwiedni jest fakt, że dopiero różnica napięć wynosząca 0.6 V umożliwia przewodzenie diody. Jest to bardziej wyraźne dla słabych sygnałów wejściowych, a także gdy indeks modulacji bliski jest wartości 100 %. Rysunek 1.5 przedstawia dwa przypadki. Gruba linia przedstawia przebieg sygnału demodulowanego (przed filtrowaniem), natomiast linia przerywana ilustruje obwiednie. W rezultacie sygnał audio często będzie zniekształcony lub będzie zanikał z powodu zmniejszenia napięcia sygnału wejściowego odbiornika, w konsekwencji czego demodulator może nie być w stanie dokonać demodulacji słabego sygnału (sygnał o małej amplitudzie).
Rysunek 1.5. Efekt spadku napięcia na przewodzącej diodzie. W układach rzeczywistych najczęściej używana jest ujemna obwiednia sygnału AM, która jest wykrywana przez demodulator diodowy. Demodulator taki wygląda w sposób prawie identyczny jak ten z rysunku 1.1 z tą jednak różnicą że posiada odwrotnie podłączoną diodę. Powodem takiej budowy jest to, że detekcja ujemnej obwiedni dostarcza ujemnego napięcia AGC, niezbędnego do kontroli stopnia RF. Jeśli sygnał RF ulega silnemu zwiększeniu z obwodu AGC wysyłany jest do stopnia RF sygnał o większej wartości ujemnej w celu zmniejszenia wzmocnienia. W ten sposób poziom sygnału wyjściowego jest stały pomimo zmian w amplitudzie sygnału wejściowego. Schemat blokowy demodulatora SYNC używanego w odbiorniku AM / DSB pokazany jest na rysunku 1.7. Ten typ demodulatora umożliwia lepszą detekcję sygnałów AM i pozwala na dostrojenie RF (RF tuning ang.) w celu ochrony przed utratą odbieranej częstotliwości sygnału wiadomości. Połączenie z układem AGC pozwala także na większe zmiany poziomów sygnałów RF oraz pozwala na zwiększenie poziomu modulacji do wartości 100%. Z innych typów demodulatorów bardzo popularny jest synchroniczny demodulator PLL (ang. phase locked loop pętla ze sprzężeniem fazowym). Pętla synchronizacji fazy (ang. Phase Locked Loop) jest układem z pogranicza elektroniki analogowej i cyfrowej. Jest najczęściej stosowana w generatorach i syntezerach częstotliwości wzorcowych, oraz częstotliwości heterodyny w nowoczesnych odbiornikach radiowych, telewizyjnych i radiokomunikacyjnych. Oprócz tego może być stosowana do modulacji i demodulacji sygnałów FM, FSK i pokrewnych, oraz jako demodulator AM. Układ PLL przedstawiony na rysunku 1.6, składa się z trzech połączonych ze sobą bloków: generatora przestrajanego napięciem (VCO), detektora fazy i filtru dolnoprzepustowego. detektor fazy filtr dolnoprzepustowy generator VCO Rysunek 1.6. Układ PLL. Wejściem układu jest zawsze jedno z wejść detektora fazy, wyjściem może być, w zależności od zastosowania, wyjście generatora VCO lub wyjście filtru dolnoprzepustowego. - detektor fazy jest najczęściej układem mnożącym. Jeżeli tylko sygnały wejściowe mają ten sam kształt (np. oba sinus lub oba prostokąt) i tę samą częstotliwość, to wartość
średnia napięcia wyjściowego detektora jest proporcjonalna do różnicy faz tych sygnałów, - filtr dolnoprzepustowy wydziela składowe wolnozmienne i składową stałą z sygnału detektora, można więc w uproszczeniu przyjąć, że napięcie na wyjściu filtru jest proporcjonalne do różnicy faz przebiegów na wejściu detektora fazy. Najczęściej filtr jest jednostopniowym układem całkującym RC. Parametry filtru w znacznym stopniu wpływają na pracę pętli PLL, - generator przestrajany napięciem wytwarza przebieg o częstotliwości zależnej (z reguły liniowo zależnej) od napięcia sterującego. Liniowość generatora jest bardzo istotna przy zastosowaniu układu do analogowej demodulacji FM. W pozostałych przypadkach (np. syntezery częstotliwości) bardzo dobra liniowość nie jest wymagana. Dla częstotliwości małych (do kilku MHz) stosuje się generatory oparte na ładowaniu i rozładowaniu kondensatora stałym prądem proporcjonalnym do napięcia sterującego. Dla częstotliwości radiowych (kilka do kilkuset MHz) używa się generatorów LC z diodami pojemnościowymi. Najprościej działanie pętli PLL można opisać jako dążenie układu do utrzymania na obu wejściach detektora fazy tej samej częstotliwości przebiegów. W stanie równowagi pętli częstotliwość obu przebiegów jest jednakowa, a napięcie za filtrem dolnoprzepustowym jest stałe. Stała jest też więc częstotliwość wyjściowa sygnału z VCO. Jeżeli teraz częstotliwość sygnału wejściowego zwiększy się, to przesunięcie fazy zacznie narastać, zwiększając wartość napięcia na wyjściu filtru dolnoprzepustowego. To z kolei zwiększy częstotliwość pracy generatora VCO, który będzie niejako doganiał sygnał wejściowy. Analogicznie układ zachowa się przy spadku częstotliwości wejściowej. WEJŚCIE IF WYJŚCIE AUDIO MIKSER PLL TP 15 90 0 PRZESÓWNIK FAZOWY TP 16 MIKSER DEMODULACYJNY VCO TP 14 5 khz 35 khz TP 11 SYNC COSTAS 5 khz 11 khz TP 13 TP 17 KOMPARATOR PĘTLI COSTASA MIKSER PĘTLI COSTASA Rysunek 1.7. Funkcjonalny diagram blokowy demodulatora synchronicznego (ang. synch detector).
1.2. Część praktyczna Opis ćwiczenia Celem wykonania ćwiczenia jest poznanie zasady demodulowania sygnału AM, przy wykorzystaniu do tego celu demodulatora obwiedni znajdującego się w Odbiorniku AM / DSB. Na Rysunku 1.8 zostały pokazane urządzenia wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają się na nie: - Zasilacz / Dwukanałowy wzmacniacz audio (ang. Power supply / Dual audio amplifier) - Dwukanałowy generator funkcji (ang. Dual function generator) - Licznik częstotliwości (ang. Frequency counter) - Generator AM / DSB / SSB (ang. AM / DSB / SSB generator) - Odbiornik AM / DSB (ang. AM / DSB receiver) Oscyloskop kanał 1 kanał 2 Dwukanałowy Generator Funkcji Wyjście kanału A Wejście audio Genarator AM/DSB/SSB Wyjście AM/DSB RF Wejście RF Wyjście IF Odbiornik AM/DSB/SSB Wyście audio Wejście Licznik Częstotliwości Rysunek 1.8. Schemat ideowy przedstawiający połączenia pomiędzy urządzeniami wykorzystywanymi w ćwiczeniu.