Cách giải điều chế dạng sóng FM

Giải điều chế tần số vô tuyến
Tìm hiểu về hai kỹ thuật để phục hồi tín hiệu dải tần gốc từ sóng mang được điều chế tần số.

Điều chế tần số cung cấp hiệu suất được cải thiện so với điều chế biên độ, nhưng việc trích xuất thông tin gốc từ dạng sóng FM có phần khó khăn hơn. Có một vài cách khác nhau để giải điều chế FM; trong trang này chúng ta sẽ thảo luận hai. Một trong số này khá đơn giản và cái còn lại thì phức tạp hơn.

Tạo tín hiệu
Như trong Cách giải điều chế dạng sóng AM, chúng ta sẽ sử dụng LTspice để khám phá giải điều chế FM và một lần nữa chúng ta cần thực hiện điều chế tần số để chúng ta có điều gì đó để giải điều chế. 

Nếu bạn nhìn lại trang về điều chế tần số tương tự, bạn sẽ thấy rằng mối quan hệ toán học ít đơn giản hơn so với điều chế biên độ. 

Với AM, chúng tôi chỉ cần thêm một phần bù và sau đó thực hiện phép nhân thông thường. Với FM, chúng ta cần thêm các giá trị thay đổi liên tục vào đại lượng bên trong hàm sin (hoặc cosine) và hơn nữa, các giá trị thay đổi liên tục này không phải là tín hiệu băng cơ sở mà là tích phân của tín hiệu băng cơ sở.

Do đó, chúng tôi không thể tạo ra dạng sóng FM bằng cách sử dụng nguồn điện áp hành vi tùy ý và mối quan hệ toán học đơn giản, như chúng tôi đã làm với AM. Tuy nhiên, hóa ra việc tạo tín hiệu FM thực sự dễ dàng hơn. Chúng tôi chỉ đơn giản sử dụng tùy chọn SFFM cho nguồn điện áp bình thường:

Mạch Mạch sau đây là tất cả những gì chúng ta cần để tạo ra dạng sóng FM bao gồm sóng mang 10 MHz và tín hiệu băng cơ sở hình sin 1 MHz:




Lưu ý rằng chỉ số điều chế là năm; chỉ số điều chế cao hơn giúp dễ dàng nhìn thấy các biến thể tần số. Biểu đồ sau đây cho thấy dạng sóng được tạo bởi nguồn điện áp SFFM.

Giải điều chế: Bộ lọc High-Pass
Kỹ thuật giải điều chế đầu tiên mà chúng ta sẽ xem xét bắt đầu với bộ lọc thông cao. Chúng tôi sẽ cho rằng chúng tôi đang xử lý FM băng thông hẹp. Chúng ta cần thiết kế bộ lọc thông cao sao cho độ suy giảm sẽ thay đổi đáng kể trong dải tần số có chiều rộng gấp đôi băng thông của tín hiệu dải tần gốc. Hãy khám phá khái niệm này kỹ hơn.

Tín hiệu FM nhận được sẽ có phổ tập trung xung quanh tần số sóng mang. Độ rộng của phổ xấp xỉ bằng hai lần băng thông của tín hiệu băng cơ sở; hệ số của hai kết quả từ sự dịch chuyển của tần số cơ sở âm và dương, và đó là khoảng xấp xỉ bằng nhau vì sự tích hợp áp dụng cho tín hiệu băng cơ sở có thể ảnh hưởng đến hình dạng của phổ điều chế. 

Do đó, tần số thấp nhất trong tín hiệu điều chế xấp xỉ bằng tần số sóng mang trừ đi tần số cao nhất trong tín hiệu băng cơ sở và tần số cao nhất trong tín hiệu điều chế xấp xỉ bằng tần số sóng mang cộng với tần số cao nhất trong tín hiệu dải tần gốc.

Bộ lọc thông cao của chúng tôi cần có đáp ứng tần số làm cho tần số thấp nhất trong tín hiệu điều chế bị suy giảm đáng kể hơn tần số cao nhất trong tín hiệu điều chế. Nếu chúng ta áp dụng bộ lọc này cho dạng sóng FM, kết quả sẽ ra sao? Nó sẽ là một cái gì đó như thế này:

Biểu đồ này hiển thị cả dạng sóng FM gốc và dạng sóng được lọc cao, nhằm mục đích so sánh. Biểu đồ tiếp theo chỉ hiển thị dạng sóng được lọc, để bạn có thể thấy rõ hơn.

Bằng cách áp dụng bộ lọc, chúng tôi đã biến điều chế tần số thành điều chế biên độ. Đây là một cách tiếp cận thuận tiện để giải điều chế FM, bởi vì nó cho phép chúng ta hưởng lợi từ mạch phát hiện đường bao được phát triển để sử dụng với điều chế biên độ. Bộ lọc được sử dụng để tạo ra dạng sóng này không gì khác hơn là một đường cao tốc RC với tần số cắt xấp xỉ bằng tần số sóng mang.

Biên độ nhiễu

Sự đơn giản của sơ đồ giải điều chế này tự nhiên khiến chúng ta nghĩ rằng nó không phải là tùy chọn hiệu suất cao nhất và trên thực tế phương pháp này có một điểm yếu lớn: nó nhạy cảm với các biến đổi biên độ. 

Tín hiệu truyền sẽ có đường bao không đổi vì điều chế tần số không liên quan đến thay đổi biên độ của sóng mang, nhưng tín hiệu nhận được sẽ không có đường bao không đổi vì biên độ chắc chắn bị ảnh hưởng bởi các nguồn lỗi.

Do đó, chúng tôi không thể thiết kế bộ giải mã FM chấp nhận được chỉ bằng cách thêm bộ lọc thông cao vào bộ giải mã AM. Chúng ta cũng cần một bộ giới hạn, đó là một mạch giảm thiểu các biến đổi biên độ bằng cách hạn chế tín hiệu thu được ở một biên độ nhất định. 

Sự tồn tại của biện pháp khắc phục đơn giản và hiệu quả này cho các biến thể biên độ cho phép FM duy trì độ mạnh (so với AM) lớn hơn chống nhiễu biên độ: Chúng ta không thể sử dụng bộ giới hạn với tín hiệu AM vì hạn chế biên độ làm hỏng thông tin được mã hóa trong sóng mang. FM, mặt khác, mã hóa tất cả các thông tin trong các đặc điểm tạm thời của tín hiệu truyền đi.

Giải điều chế: Vòng khóa pha
Một vòng khóa pha (PLL) có thể được sử dụng để tạo ra một mạch hiệu suất cao nhưng phức tạp để giải điều chế FM. Một PLL có thể khóa vào tần số của dạng sóng đến. Nó thực hiện điều này bằng cách kết hợp bộ phát hiện pha, bộ lọc thông thấp (hay còn gọi là bộ lọc vòng lặp của bộ lọc) và bộ tạo dao động điều khiển điện áp (VCO) vào hệ thống phản hồi âm, như sau:

Sau khi PLL bị khóa, nó có thể tạo ra một hình sin đầu ra theo các biến thể tần số trong hình sin đến. Dạng sóng đầu ra này sẽ được lấy từ đầu ra của VCO. 

Tuy nhiên, trong một ứng dụng giải mã FM, chúng ta không cần một hình sin đầu ra có cùng tần số với tín hiệu đầu vào. Thay vào đó, chúng tôi sử dụng đầu ra từ bộ lọc vòng lặp làm tín hiệu giải điều chế. Hãy xem tại sao điều này là có thể.

Bộ dò pha tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ lệch pha giữa dạng sóng tới và đầu ra của VCO. Bộ lọc vòng lặp làm mịn tín hiệu này, sau đó trở thành tín hiệu điều khiển cho VCO. 

Do đó, nếu tần số của tín hiệu đến liên tục tăng và giảm, tín hiệu điều khiển VCO phải tăng và giảm tương ứng để đảm bảo tần số đầu ra VCO vẫn bằng tần số đầu vào. Nói cách khác, đầu ra của bộ lọc vòng lặp là tín hiệu có các biến thiên biên độ tương ứng với các biến thể tần số đầu vào. Đây là cách PLL hoàn thành giải điều chế tần số.

Tổng kết

* Trong LTspice, hình sin được điều chế tần số có thể được tạo bằng cách sử dụng tùy chọn SFFM cho các nguồn điện áp tiêu chuẩn.

* Một kỹ thuật giải điều chế FM đơn giản và hiệu quả bao gồm bộ lọc thông cao (để chuyển đổi FM-sang-AM) theo sau là bộ giải mã AM.

* Bộ giải mã FM dựa trên bộ lọc thông cao được đặt trước bộ giới hạn để ngăn các biến đổi biên độ gây ra lỗi cho tín hiệu giải điều chế.

* Một vòng khóa pha có thể được sử dụng để đạt được giải điều chế FM hiệu suất cao. Việc sử dụng PLL mạch tích hợp làm cho cách tiếp cận này ít phức tạp hơn vẻ ngoài của nó.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn