כיצד לפענח צורת גל FM

פרוטוקול תדרים ברדיו
למדו על שתי טכניקות לשחזור האות של פס בסיס ממנשא בעל תדר.

אפנון תדרים מציע ביצועים משופרים לעומת אפנון משרעת, אך קשה מעט יותר לחלץ את המידע המקורי מצורת גל FM. ישנן כמה דרכים שונות לפרוטוקול FM; בדף זה נדון בשניים. אחד כזה די פשוט, והשני מורכב יותר.

יצירת האות
כמו ב- How to Demodulation a AM Wave Form, אנו נשתמש ב- LTspice כדי לחקור את הדגולציה של FM, ושוב עלינו לבצע תחילה אפנון תדרים כך שיהיה לנו מה לפרט. 

אם אתה מסתכל אחורה על הדף בנושא אפנון תדר אנלוגי, תראה שהקשר המתמטי פחות ישר מזה של אפנון amplitude. 

עם AM פשוט הוספנו קיזוז ואז ביצענו כפל רגיל. עם FM עלינו להוסיף ערכים משתנים ברציפות לכמות שבתוך פונקציית סינוס (או קוסינוס), ויתרה מכך, ערכים משתנים באופן רציף הם לא האות של קו הבסיס, אלא האינטגרל של האות של קו הבסיס.

כתוצאה מכך, איננו יכולים ליצור צורת גל FM באמצעות מקור מתח התנהגותי שרירותי וקשר מתמטי פשוט, כמו שעשינו עם AM. עם זאת מסתבר שלמעשה קל יותר להפיק אות FM. אנו פשוט משתמשים באפשרות SFFM עבור מקור מתח רגיל:

"המעגל" הבא הוא כל מה שאנחנו צריכים ליצירת צורת גל FM המורכבת מנשא 10 מגה הרץ וסימן פס סינוסואידי של 1 מגה הרץ:




שים לב שמדד האפנון הוא חמש; אינדקס אפנון גבוה יותר מקל על ראיית וריאציות התדרים. העלילה הבאה מציגה את צורת הגל שנוצרה על ידי מקור המתח SFFM.

Demodulation: המסנן High-Pass
טכניקת ההפענוח הראשונה שנבחן בה מתחילה במסנן גבוה לעבור. נניח כי עסקינן בפס צר FM. עלינו לתכנן את מסנן המסננים הגבוה כך שההתפחתות תשתנה משמעותית בתוך פס תדרים שרוחבו כפול רוחב הפס של אות הפס הרחב. בואו לחקור מושג זה יותר לעומק.

לאות ה- FM המתקבלת יהיה ספקטרום שמרכז את תדר הספק. רוחב הספקטרום שווה בערך פי שניים מרוחב הפס של אות הרצועה; הגורם לשני נובע מהעברת תדרי הפס החיובי והשלילי, והוא "שווה בערך" מכיוון שהאינטגרציה המופעלת על אות הרצועה יכולה להשפיע על צורת הספקטרום המודולציה. 

לפיכך, התדר הנמוך ביותר באות המודולול שווה בערך לתדר הספק מינוס התדר הגבוה ביותר בסיגול הרשת הבסיסית, והתדר הגבוה ביותר באות המודולול שווה בערך לתדר הספק בתוספת התדר הגבוה ביותר בסיגול הפס הקווי.

על מסנן המעבר הגבוה שלנו להיות בעל תגובת תדר הגורמת לתופעה משמעותית של התדר הנמוך ביותר באות המודולציה מהתדר הגבוה ביותר באות המודולרי. אם נחיל את המסנן הזה על צורת גל FM, מה תהיה התוצאה? זה יהיה משהו כזה:

עלילה זו מציגה הן את צורת הגל המקורית והן את צורת הגל המסוננת הגבוהה, לצורך השוואה. העלילה הבאה מציגה רק את צורת הגל המסוננת, כך שתוכלו לראות אותה בצורה ברורה יותר.

על ידי יישום המסנן, הפכנו אפנון תדר למודולציה של משרעת. זוהי גישה נוחה לפענוח FM, מכיוון שהיא מאפשרת לנו ליהנות ממעגלי גלאי מעטפות שפותחו לשימוש עם אפנון משרעת. המסנן ששימש לייצור צורת גל זו לא היה אלא מעבר גבוה RC עם תדר ניתוק שווה בערך לתדר הספק.

רעש משרעת

הפשטות של תכנית ההפחתה הזו גורמת לנו באופן טבעי לחשוב שהיא אינה האופציה בעלת הביצועים הגבוהים ביותר, ולמעשה לגישה זו יש חולשה עיקרית: היא רגישה לשונות המשרעת. 

לאות המועבר תהיה מעטפה קבועה מכיוון שמודול תדרים אינו כרוך בשינויים במשרעת המוביל, אך לאות שהתקבל לא תהיה מעטפה קבועה מכיוון שהמשרעת מושפעת בהכרח על ידי מקורות שגיאה.

כתוצאה מכך, איננו יכולים לתכנן demodulator FM מקובל פשוט על ידי הוספת מסנן גבוה לעבור לדמודולטור AM. אנו זקוקים גם למגביל, שהוא מעגל הממתן את וריאציות המשרעת על ידי הגבלת האות שהתקבל למשרעת מסוימת. 

קיומו של תרופה פשוטה ויעילה זו עבור וריאציות משרעת מאפשרת ל- FM לשמור על החוסן הגדול יותר (בהשוואה ל- AM) כנגד רעשי האמפליטודה: איננו יכולים להשתמש במגביל עם אותות AM מכיוון שהגבלת המשרעת משביתה את המידע המקודד במוביל. FM לעומת זאת, מקודד את כל המידע במאפיינים הזמניים של האות המועבר.

הדמולציה: הלולאה הנעולה-שלב
ניתן להשתמש בלולאה נעולה-פאזית (PLL) ליצירת מעגל מורכב אך בעל ביצועים גבוהים לצורך הדמולציה של FM. PLL יכול "לנעול" את התדר של צורת גל נכנסת. זה עושה זאת על ידי שילוב של גלאי פאזות, פילטר לעבור נמוך (המכונה "מסנן לולאה") ומתנד מבוקר מתח (VCO) למערכת משוב שלילי, כדלקמן:

לאחר הנעילה של ה- PLL הוא יכול ליצור סינוסואיד פלט העוקב אחר שינויי תדרים בסינוסואיד הנכנס. צורת גל פלט זו תילקח מפלט ה- VCO. 

עם זאת ביישום FM-demodulator, איננו זקוקים לסינוסואיד פלט בעל תדר זהה לזה של אות הקלט. במקום זאת אנו משתמשים בפלט ממסנן הלולאה כאות מפורק. בואו נסתכל מדוע זה אפשרי.

גלאי הפאזות מפיק אות שהוא פרופורציונלי להבדל הפאזה בין צורת הגל הנכנס לפלט ה- VCO. פילטר הלולאה מחליק את האות הזה, שהופך אז לאות הבקרה של ה- VCO. 

לפיכך, אם תדירות האות הנכנס מתגברת ומתמעטת כל הזמן, אות בקרת ה- VCO צריך להגדיל ולצמצם בהתאם בכדי להבטיח שתדר היציאה של VCO יישאר שווה לתדר הקלט. במילים אחרות, הפלט של מסנן הלולאה הוא איתות אשר וריאציות המשרעת שלו תואמות את וריאציות תדר הקלט. כך מבצעת PLL פרודוקציה של תדרים.

<br> סיכום

* ב- LTspice, ניתן ליצור סינוס מאופנן בתדר באמצעות אפשרות SFFM עבור מקורות מתח סטנדרטיים.

* טכניקת פרודוקולציה פשוטה ויעילה של FM כוללת פילטר גבוה לעבור (להמרה FM-to-AM) ואחריו demodulator AM.

מקדם מגביל למנגנון FM בעל מסנן גבוה-מסנן, מגביל בכדי למנוע שינויי משרעת לתרום שגיאה לאות המודוד.

ניתן להשתמש בלולאה נעולה שלב כדי להשיג פרודוקולציה בעלת ביצועים גבוהים של FM. השימוש ב- PLL-מעגלים משולבים הופך גישה זו למורכבת פחות ממה שנראה.

השאר הודעה 

רשימת הודעות