如何解調FM波形

射頻解調
了解有關從調頻載波恢復基帶信號的兩種技術。

調頻提供了比調幅更好的性能，但是要從FM波形中提取原始信息要困難一些。 解調FM有幾種不同的方法。 在此頁面中，我們將討論兩個。 其中一個很簡單，而另一個則更複雜。

創建信號
與如何解調AM波形一樣，我們將使用LTspice探索FM解調，並且再次需要首先執行頻率調製，以便進行解調。 

如果回頭看模擬頻率調製頁面，您會發現數學關係不像幅度調製那麼直接。 

使用AM，我們只需添加一個偏移量，然後執行普通乘法。 對於FM，我們需要將連續變化的值添加到正弦（或餘弦）函數內部的數量上，此外，這些連續變化的值不是基帶信號，而是基帶信號的積分。

因此，我們不能像使用AM那樣使用任意的行為電壓源和簡單的數學關係來生成FM波形。 但是，事實證明，實際上更容易產生FM信號。 我們僅將SFFM選項用於普通電壓源：

以下“電路”是創建由10 MHz載波和1 MHz正弦基帶信號組成的FM波形所需的全部工作：




注意，調製指數為XNUMX；調製指數為XNUMX。 較高的調製指數使查看頻率變化更加容易。 下圖顯示了SFFM電壓源創建的波形。

解調：高通濾波器
我們將要研究的第一種解調技術始於高通濾波器。 我們假設我們正在處理窄帶FM。 我們需要設計高通濾波器，以使衰減在一個帶寬是基帶信號帶寬兩倍的頻帶內發生明顯變化。 讓我們更深入地探討這個概念。

收到的FM信號將具有一個以載波頻率為中心的頻譜。 頻譜的寬度大約等於基帶信號帶寬的兩倍； 正負兩個基帶頻率的偏移產生兩個因數，並且之所以“近似”相等，是因為應用於基帶信號的積分會影響調製頻譜的形狀。 

因此，調製信號中的最低頻率大約等於載波頻率減去基帶信號中的最高頻率，而調製信號中的最高頻率大約等於載波頻率加基帶信號中的最高頻率。

我們的高通濾波器需要具有一個頻率響應，從而使調製信號中的最低頻率衰減得比調製信號中的最高頻率大得多。 如果將此濾波器應用於FM波形，將得到什麼結果？ 將會是這樣的：

為了進行比較，該圖同時顯示了原始FM波形和高通濾波波形。 下圖僅顯示濾波後的波形，因此您可以更清楚地看到它。

通過應用濾波器，我們已將頻率調製轉換為幅度調製。 這是一種方便的FM解調方法，因為它使我們能夠受益於已開髮用於幅度調製的包絡檢波器電路。 用於產生該波形的濾波器不過是具有截止頻率近似等於載波頻率的RC高通。

振幅噪聲

這種解調方案的簡單性自然使我們認為它不是性能最高的選擇，實際上，這種方法確實存在一個主要缺點：它對幅度變化敏感。 

發射信號將具有恆定的包絡，因為頻率調製不涉及載波幅度的變化，但是接收信號將具有恆定的包絡，因為幅度不可避免地受到誤差源的影響。

因此，我們不能僅通過向AM解調器添加高通濾波器來設計可接受的FM解調器。 我們還需要一個限幅器，它是一種通過將接收信號限制為一定幅度來減輕幅度變化的電路。 

這種簡單有效的幅度變化補救措施的存在使FM能夠保持其對幅度噪聲的更大（與AM相比）的魯棒性：我們不能對AM信號使用限制器，因為限制幅度會破壞載波中編碼的信息。 另一方面，FM將所有信息編碼為發射信號的時間特性。

解調：鎖相環
鎖相環（PLL）可用於創建複雜但高性能的FM解調電路。 PLL可以“鎖定”輸入波形的頻率。 它通過將相位檢測器，低通濾波器（也稱為“環路濾波器”）和壓控振盪器（VCO）組合到負反饋系統中來實現此目的，如下所示：

PLL鎖定後，它可以創建一個輸出正弦波，其跟隨輸入正弦波的頻率變化。 該輸出波形將從VCO的輸出中獲取。 

但是，在FM解調器應用中，我們不需要與輸入信號具有相同頻率的輸出正弦波。 相反，我們將環路濾波器的輸出用作解調信號。 讓我們看看為什麼這是可能的。

鑑相器產生與輸入波形和VCO輸出之間的相位差成比例的信號。 環路濾波器對該信號進行平滑處理，然後將其變為VCO的控制信號。 

因此，如果輸入信號的頻率不斷增加和減少，則VCO控制信號必須相應地增加和減少，以確保VCO輸出頻率保持等於輸入頻率。 換句話說，環路濾波器的輸出是其幅度變化對應於輸入頻率變化的信號。 PLL就是這樣完成頻率解調的。

總結

*在LTspice中，可以通過將SFFM選項用於標準電壓源來生成調頻正弦波。

*一種簡單有效的FM解調技術涉及一個高通濾波器（用於FM到AM的轉換），然後是AM解調器。

*基於高通濾波器的FM解調器之前裝有限幅器，以防止幅度變化對解調信號造成誤差。

*鎖相環可用於實現高性能FM解調。 集成電路PLL的使用使這種方法看上去不那麼複雜。

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