Cómo demodular una forma de onda de AM

Demodulación de radiofrecuencia
Conozca dos circuitos que pueden extraer la información original de una señal portadora modulada en amplitud.

En este punto, sabemos que la modulación se refiere a la modificación intencional de una sinusoide para que pueda transportar información de baja frecuencia de un transmisor a un receptor. También hemos cubierto muchos detalles relacionados con los diferentes métodos (amplitud, frecuencia, fase, analógico, digital) de la información de codificación en una onda portadora.

Pero no hay razón para integrar datos en una señal transmitida si no podemos extraer esos datos de la señal recibida, y es por eso que necesitamos estudiar la demodulación. 

Los circuitos de demodulación varían desde algo tan simple como un detector de pico modificado hasta algo tan complejo como la conversión descendente de cuadratura coherente combinada con sofisticados algoritmos de decodificación realizados por un procesador de señal digital.

Creando la Señal
Usaremos LTspice para estudiar técnicas para demodular una onda AM. Pero antes de demodular necesitamos algo que esté modulado.

En la página de modulación de AM, vimos que se necesitan cuatro cosas para generar una forma de onda de AM. Primero, necesitamos una forma de onda de banda base y una forma de onda portadora. Entonces necesitamos un circuito que pueda agregar un desplazamiento de CC apropiado a la señal de banda base. 

Y finalmente, necesitamos un multiplicador, ya que la relación matemática correspondiente a la modulación de amplitud es multiplicar la señal de banda base desplazada por la portadora.

El siguiente circuito LTspice generará una forma de onda AM.

* V1 es una fuente de voltaje de onda sinusoidal de 1 MHz que proporciona la señal de banda base original.

* V3 produce una onda sinusoidal de 100 MHz para la portadora.

* El circuito del amplificador operacional es un cambiador de nivel (también reduce la amplitud de entrada a la mitad). La señal que proviene de V1 es una onda sinusoidal que oscila de –1 V a +1 V, y la salida del amplificador operacional es una onda sinusoidal que oscila de 0 V a +1 V.

* B1 es una "fuente de voltaje de comportamiento arbitrario". Su campo de "valor" es una fórmula en lugar de una constante; en este caso, la fórmula es la señal de banda base desplazada multiplicada por la forma de onda portadora. De esta manera, B1 se puede utilizar para realizar la modulación de amplitud.

Aquí está la señal de banda base desplazada:

Y aquí puede ver cómo las variaciones de AM corresponden a la señal de la banda base (es decir, el trazo naranja que en su mayoría está oscurecido por la forma de onda azul):

Demodulación

Como se discutió en la página de modulación de AM, la operación de multiplicación utilizada para realizar la modulación de amplitud tiene el efecto de transferir el espectro de banda base a una banda que rodea la frecuencia portadora positiva (+ fC) y la frecuencia portadora negativa (–fC). 

Por lo tanto, podemos pensar en la modulación de amplitud como el desplazamiento del espectro original hacia arriba por fC y hacia abajo por fC. Se deduce, entonces, que multiplicar la señal modulada por la frecuencia portadora transferirá el espectro a su posición original, es decir, desplazará el espectro hacia abajo por fC de modo que una vez más se centre alrededor de 0 Hz.

Opción 1: multiplicación y filtrado
El siguiente esquema de LTspice incluye una fuente de voltaje de comportamiento arbitrario demodulante; B2 multiplica la señal de AM por la portadora.

 

Y aqui esta el resultado:

Esto definitivamente no parece correcto. Si hacemos zoom, vemos lo siguiente:

Y esto revela el problema. Después de la modulación de amplitud, el espectro de banda base se centra alrededor de + fC. Multiplicar la forma de onda AM por la portadora desplaza el espectro de la banda base a 0 Hz, pero también lo desplaza a 2 fC (en este caso 200 MHz), porque (como se indicó anteriormente) la multiplicación mueve el espectro existente hacia arriba por fC y hacia abajo por fC .

Está claro, entonces, que la multiplicación por sí sola no es suficiente para una demodulación adecuada. Lo que necesitamos es multiplicación y un filtro de paso bajo; El filtro suprime el espectro que se desplazó hasta 2fC. El siguiente esquema incluye un filtro RC de paso bajo con una frecuencia de corte de ~ 1.5 MHz.

Y aquí está la señal demodulada:

Esta técnica es en realidad más complicada de lo que parece porque la fase de la forma de onda de frecuencia portadora del receptor debe sincronizarse con la fase de la portadora del transmisor. Esto se discute más a fondo en la página 5 de este capítulo (Comprensión de la demodulación en cuadratura).

Opción 2: Detector de picos

Como puede ver arriba en el gráfico que muestra la forma de onda AM (en azul) y la forma de onda de banda base desplazada (en naranja), la parte positiva de la "envolvente" AM coincide con la señal de banda base. 

El término "envolvente" se refiere a las variaciones de la portadora en la amplitud sinusoidal (a diferencia de las variaciones en el valor instantáneo de la propia forma de onda). Si de alguna manera pudiéramos extraer la porción positiva de la envolvente AM, podríamos reproducir la señal de banda base sin usar un multiplicador.

Resulta que es bastante fácil convertir la envolvente positiva en una señal normal. Comenzamos con un detector de pico, que es solo un diodo seguido de un condensador. 

El diodo conduce cuando la señal de entrada está al menos ~ 0.7 V por encima del voltaje en el condensador, y de lo contrario actúa como un circuito abierto. Por lo tanto, el condensador mantiene el voltaje pico: si el voltaje de entrada de corriente es más bajo que el voltaje del condensador, el voltaje del condensador no disminuye porque el diodo con polarización inversa evita la descarga.

Sin embargo, no queremos un detector de pico que retenga el voltaje pico durante un largo período de tiempo. En cambio, queremos un circuito que retenga el pico en relación con las variaciones de alta frecuencia de la forma de onda portadora, pero no retenga el pico en relación con las variaciones de frecuencia más baja de la envolvente. En otras palabras, queremos un detector de pico que mantenga el pico solo por un corto período de tiempo. 

Logramos esto agregando resistencia paralela que permite que el capacitor se descargue. (Este tipo de circuito se denomina "detector de pico con fugas", donde "con fugas" se refiere a la ruta de descarga proporcionada por la resistencia). La resistencia se elige de modo que la descarga sea lo suficientemente lenta como para suavizar la frecuencia portadora y lo suficientemente rápida como para No suavizar la frecuencia de la envolvente.

Aquí hay un ejemplo de un detector de pico con fugas para la demodulación de AM:

Tenga en cuenta que he amplificado la señal de AM en un factor de cinco para aumentar la señal de entrada del detector de pico en relación con el voltaje directo del diodo. La siguiente gráfica transmite el resultado general que estamos tratando de lograr con el detector de pico con fugas.

La señal final exhibe la característica de carga / descarga esperada:




Se podría utilizar un filtro de paso bajo para suavizar estas variaciones.

Resumen

* En LTspice, se puede usar una fuente de voltaje de comportamiento arbitrario para crear una forma de onda AM.

* Las formas de onda de AM se pueden demodular usando un multiplicador seguido de un filtro de paso bajo.

* Un enfoque más simple (y de menor costo) es utilizar un detector de pico con fugas, es decir, un detector de pico con resistencia paralela que permita que el condensador se descargue a una velocidad adecuada.

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