Como desmodular uma forma de onda AM

Demodulação por Radiofrequência
Aprenda sobre dois circuitos que podem extrair as informações originais de um sinal de portadora com amplitude modulada.

Nesse ponto, sabemos que a modulação se refere à modificação intencional de um sinusóide, de modo que ele possa transportar informações de baixa frequência de um transmissor para um receptor. Também abordamos muitos detalhes relacionados aos diferentes métodos - amplitude, frequência, fase, analógico, digital - de codificação de informações em uma onda portadora.

Mas não há razão para integrar dados em um sinal transmitido se não pudermos extrair esses dados do sinal recebido, e é por isso que precisamos estudar a desmodulação. 

O circuito de desmodulação varia de algo tão simples quanto um detector de pico modificado a algo tão complexo quanto a conversão descendente de quadratura coerente combinada com algoritmos sofisticados de decodificação executados por um processador de sinal digital.

Criando o sinal
Usaremos o LTspice para estudar técnicas para desmodular uma forma de onda AM. Mas antes de desmodularmos, precisamos de algo que seja modulado.

Na página de modulação AM, vimos que são necessárias quatro coisas para gerar uma forma de onda AM. Primeiro, precisamos de uma forma de onda de banda base e uma forma de onda portadora. Então precisamos de um circuito que possa adicionar um deslocamento DC apropriado ao sinal da banda base. 

E, finalmente, precisamos de um multiplicador, pois a relação matemática correspondente à modulação de amplitude está multiplicando o sinal da banda de base deslocada pela operadora.

O seguinte circuito LTspice gerará uma forma de onda AM.

* V1 é uma fonte de tensão de onda senoidal de 1 MHz que fornece o sinal de banda base original.

* V3 produz uma onda senoidal de 100 MHz para a transportadora.

* O circuito do amplificador operacional é um deslocador de nível (também reduz a amplitude de entrada pela metade). O sinal vindo de V1 é uma onda senoidal que oscila de –1 V a +1 V, e a saída do amplificador operacional é uma onda senoidal que oscila de 0 V a +1 V.

* B1 é uma "fonte de tensão comportamental arbitrária". Seu campo "valor" é uma fórmula e não uma constante; neste caso, a fórmula é o sinal da banda de base deslocada multiplicado pela forma de onda da portadora. Desta maneira, B1 pode ser usado para realizar a modulação de amplitude.

Aqui está o sinal de banda base alterado:

E aqui você pode ver como as variações de AM correspondem ao sinal da banda base (ou seja, o traço laranja que é obscurecido principalmente pela forma de onda azul):

Demodulação

Conforme discutido na página de modulação AM, a operação de multiplicação usada para executar a modulação de amplitude tem o efeito de transferir o espectro da banda base para uma banda em torno da frequência portadora positiva (+ fC) e da frequência portadora negativa (–fC). 

Assim, podemos pensar na modulação de amplitude como deslocando o espectro original para cima em fC e para baixo em fC. Segue-se, então, que multiplicar o sinal modulado pela frequência da portadora transferirá o espectro de volta à sua posição original - isto é, deslocará o espectro para baixo por fC, de modo que seja novamente centrado em torno de 0 Hz.

Opção 1: Multiplicação e Filtragem
O seguinte esquema LTspice inclui uma fonte de tensão comportamental arbitrária demodulação; B2 multiplica o sinal AM pela operadora.

 

E aqui está o resultado:

Definitivamente, isso não parece correto. Se ampliarmos, veremos o seguinte:

E isso revela o problema. Após a modulação da amplitude, o espectro da banda base é centralizado em torno de + fC. A multiplicação da forma de onda AM pela portadora altera o espectro da banda base para 0 Hz, mas também o altera para 2fC (neste caso, 200 MHz), porque (como mencionado acima) a multiplicação move o espectro existente para cima por fC e para baixo por fC .

É claro, então, que a multiplicação por si só não é suficiente para a desmodulação adequada. O que precisamos é multiplicação e um filtro passa-baixo; o filtro suprime o espectro que foi deslocado para 2fC. O esquema a seguir inclui um filtro passa-baixa RC com uma frequência de corte de ~ 1.5 MHz.

E aqui está o sinal desmodulado:

Essa técnica é realmente mais complicada do que parece, porque a fase da forma de onda da frequência portadora do receptor deve ser sincronizada com a fase da portadora do transmissor. Isso será discutido mais adiante na página 5 deste capítulo (Entendendo a desmodulação da quadratura).

Opção 2: Detector de Pico

Como você pode ver acima, no gráfico que mostra a forma de onda AM (em azul) e a forma de onda da banda base deslocada (em laranja), a parte positiva do "envelope" AM corresponde ao sinal da banda base. 

O termo "envelope" refere-se às variações da portadora na amplitude sinusoidal (em oposição às variações no valor instantâneo da própria forma de onda). Se pudéssemos extrair de alguma forma a parte positiva do envelope AM, poderíamos reproduzir o sinal da banda base sem usar um multiplicador.

Acontece que é muito fácil converter o envelope positivo em um sinal normal. Começamos com um detector de pico, que é apenas um diodo seguido por um capacitor. 

O diodo é conduzido quando o sinal de entrada está pelo menos ~ 0.7 V acima da tensão no capacitor e, caso contrário, atua como um circuito aberto. Assim, o capacitor mantém a tensão de pico: se a tensão de entrada de corrente for menor que a tensão do capacitor, a tensão do capacitor não diminui porque o diodo com polarização inversa impede a descarga.

No entanto, não queremos um detector de pico que retenha a tensão de pico por um longo período de tempo. Em vez disso, queremos um circuito que retenha o pico em relação às variações de alta frequência da forma de onda portadora, mas não retenha o pico em relação às variações de frequência mais baixa do envelope. Em outras palavras, queremos um detector de pico que detenha o pico apenas por um curto período de tempo. 

Conseguimos isso adicionando resistência paralela que permite que o capacitor descarregue. (Esse tipo de circuito é chamado de "detector de pico com vazamento", em que "vazamento" se refere ao caminho de descarga fornecido pelo resistor.) A resistência é escolhida de modo que a descarga seja lenta o suficiente para suavizar a frequência da portadora e rápida o suficiente para não suavize a frequência do envelope.

Aqui está um exemplo de um detector de pico com vazamento para desmodulação AM:

Observe que amplifiquei o sinal AM por um fator de cinco para aumentar o sinal de entrada do detector de pico em relação à tensão direta do diodo. O gráfico a seguir mostra o resultado geral que estamos tentando obter com o detector de pico com vazamento.

O sinal final exibe a característica de carga / descarga esperada:




Um filtro passa-baixo pode ser usado para suavizar essas variações.

Resumo

* No LTspice, uma fonte de tensão comportamental arbitrária pode ser usada para criar uma forma de onda AM.

* As formas de onda AM podem ser desmoduladas usando um multiplicador seguido de um filtro passa-baixo.

* Uma abordagem mais simples (e de baixo custo) é usar um detector de pico com vazamento, ou seja, um detector de pico com resistência paralela que permita ao capacitor descarregar a uma taxa apropriada.

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