Demodulatorer

Till skillnad från moduleringen, som sker på sändarsidan, innebär demodulationen av signaler i mottagaren att en modulerad signal till exempel omvandlas tillbaka till LF och därmed blir hörbar, eller att en bitföljd uppstår vid digital överföring.

Beroende på vilken moduleringsart som användes på sändarsidan måste en motsvarande demodulation ske på mottagarsidan. Det finns olika kopplingskoncept som möjliggör demodulation. Hur modulation fungerar i det digitala får vi se i ett senare kapitel. I det här kapitlet ägnar vi oss först åt demodulation av analoga signaler.

Den enklaste formen av demodulation av en högfrekvent signal är amplitudmodulation (AM). AM-signaler kan demoduleras med en så kallad envelopdetektor (kuvertdetektor) som i figur HAREC-13.28.1. Den högfrekventa signalen väljs först ut vid önskad mottagningsfrekvens, till exempel med en avstämd svängningskrets, och likriktas därefter av en diod. En kondensator efter dioden laddas upp till signalens momentana toppvärde och urladdas samtidigt genom ett parallellkopplat motstånd med lämplig tidskonstant. Tidskonstanten ligger klart över HF-signalens periodtid men klart under LF-signalens periodtid.

1) Kort beskrivning: Kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning, med två parallella horisontella ledare och två anslutningspunkter till vänster (märkta ”ZF”, mellanfrekvens, MF); kondensator mellan de två horisontella ledarna; transformator; vid dess sekundärlindning ytterligare en kondensator mellan de horisontella ledarna; diod i den övre ledaren; ytterligare en kondensator mellan de horisontella ledarna; parallellt med den ett motstånd; uppåt ytterligare en kondensator till den tredje högra anslutningspunkten (”NF”, lågfrekvens, LF); i den övre ledaren ett motstånd; därefter en kondensator mellan de horisontella ledarna; två anslutningspunkter åt höger.

2) Utförlig beskrivning: Bilden består av ett kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning, med två parallella horisontella ledare och två anslutningspunkter till vänster (märkta ”ZF”, mellanfrekvens, MF). Mellan de två horisontella ledarna är först en kondensator kopplad, som ligger parallellt med transformatorns primärlindning. Vid dess sekundärlindning är ytterligare en kondensator inritad mellan de horisontella ledarna. I den övre ledaren finns därefter en diod. Bakom den förbinder ytterligare en kondensator de två horisontella ledarna. Parallellt med den ligger ett motstånd. Från dess övre ände går ytterligare en kondensator uppåt till en anslutningspunkt till höger (”NF”, lågfrekvens, LF). I den övre ledaren följer ett ytterligare motstånd och därefter en kondensator mellan de horisontella ledarna (den övre linjen är märkt ”+”). De två horisontella ledarna har till höger en anslutningspunkt vardera. — Figur HAREC-13.28.1: Envelopdetektor för demodulation av AM-signaler

Vid anslutning X i figur HAREC-13.28.2 visas HF-signalens likriktade toppspänning, som mellan HF-signalens toppar sjunker något i takt med tidskonstanten hos motståndet parallellt med kondensatorn. Signalens envelop motsvarar därmed den pålagda LF-signalen, överlagrad med en sågtandssignal (bärvågsfrekvens) på grund av kondensatorns tidskonstant, och motsvarar signalen i figur HAREC-13.28.3. I de efterföljande LF-stegen (visas ej) filtreras resterna av bärvågsfrekvensen bort, så att ren LF blir kvar som utsignal (se figur HAREC-13.28.4).

1) Kort beskrivning: övre delen: diagram med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U”; sinuskurva med tilltagande och avtagande amplitud; nedre delen: kopplingsschema med rektangulär ledningsdragning med två parallella horisontella ledare och två anslutningspunkter till vänster (märkta ”MF”); kondensator mellan de båda horisontella ledarna; transformator; vid dess sekundärlindning ytterligare en kondensator mellan de horisontella ledarna; diod i den övre ledaren; ytterligare en kondensator (märkt ”X”) mellan de horisontella ledarna; parallellt med den ett motstånd; uppåt ytterligare en kondensator till den tredje anslutningspunkten till höger; i den övre ledaren ett motstånd; därefter en kondensator mellan de horisontella ledarna; två anslutningspunkter åt höger.

2) Utförlig beskrivning: Bilden består av två delar. Överst visas ett diagram med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U” och en sinuskurva med tilltagande och avtagande amplitud. Nederst finns ett kopplingsschema med rektangulär ledningsdragning med två parallella horisontella ledare och två anslutningspunkter till vänster (märkta ”MF”). Mellan de båda horisontella ledarna är först en kondensator inkopplad, som ligger parallellt med en transformators primärlindning. Vid dess sekundärlindning är ytterligare en kondensator mellan de horisontella ledarna ritad. I den övre ledaren följer därefter en diod. Efter den förbinder ytterligare en kondensator (märkt ”X”) de båda horisontella ledarna. Parallellt med den ligger ett motstånd. Från dess övre ände går ytterligare en kondensator uppåt till en anslutningspunkt till höger. I den övre ledaren följer ytterligare ett motstånd och därefter mellan de horisontella ledarna en kondensator (den övre linjen markerad med ”+”). De båda horisontella ledarna har vardera en anslutningspunkt till höger. — Figur HAREC-13.28.2: Envelopdetektor för demodulation av AM-signaler, med FI-ingångssignalen som ligger på detektorns ingång

1) Kort beskrivning: Diagram över en envelopedemodulator med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U”; kurvan består av en sågtandad linje vars omslutande form (envelope) följer en kurva med maxima och minima; från varje spets går vertikala streckade linjer ner till nollinjen.

2) Utförlig beskrivning: Bilden visar diagrammet för en envelopedemodulator med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U”. Kurvan består av en sågtandad linje vars omslutande form (envelope) följer en kurva med maxima och minima. Från varje spets är vertikala streckade linjer ritade ner till nollinjen. — Figur HAREC-13.28.3: Demodulerad signal i punkt X i envelopdetektorn

1) Kort beskrivning: Diagram över en envelopedemodulator med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U”; kurvan består av en sinuskurva som löper kring nollinjen.

2) Utförlig beskrivning: Bilden visar diagrammet för en envelopedemodulator med en horisontell axel ”t” och en vertikal axel ”U”. Kurvan består av en sinuskurva som löper kring nollinjen. — Figur HAREC-13.28.4: Filtrerad signal på envelopdetektorns utgång

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

1) Kort sammanfattning: Diagram med en orange kurva i ett koordinatsystem (U mot f), ett tydligt maximum med etiketten ”fres” samt streckade hjälplinjer och markeringar ”ΔU”, ”Δf” och ”fZF”.

2) Detaljerad beskrivning: Nere till vänster börjar ett koordinatsystem; y-axeln har upptill en pil och etiketten ”U”, x-axeln pekar åt höger med pil och etiketten ”f”. En genomgående orange kurva startar nära origo, stiger åt höger, når ett tydligt maximum; ovanför denna topp står ”fres”. Efter maximum faller kurvan åt höger och närmar sig x-axeln. Till vänster i diagrammet markerar två vågräta, streckade linjer ett lodrätt avstånd; mellan dem finns en lodrät dubbelpil med etiketten ”ΔU”. I området kring kurvans topp står två lodräta, streckade linjer; vid nedre kanten mellan dem är en vågrät dubbelpil med etiketten ”Δf” inritad. Under den vänstra av de två streckade lodräta linjerna står vid x-axeln etiketten ”fZF”. Inga siffervärden eller skalstreck är inritade. — Figur HAREC-13.28.5: Svängningskrets som används som flankdiskriminator

1) Kort beskrivning: Kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning och två horisontella ledare; i den övre horisontella ledaren finns en anslutningspunkt till vänster och en till höger (”NF”, lågfrekvens, LF); uppe från vänster MF (10,7 MHz); motstånd i den övre horisontella ledaren; motstånd mellan de två horisontella ledarna, vidare till jord; variabel spole och parallellkopplad kondensator mellan de horisontella ledarna; diod i den övre ledaren; ytterligare en kondensator mellan de horisontella ledarna; parallellt med den ett motstånd; uppåt ytterligare en kondensator till den högra anslutningspunkten; ram kring spolen och den parallella kondensatorn med texten ”f_res ZF” (resonansfrekvens, MF).

2) Utförlig beskrivning: Bilden består av ett kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning och två horisontella ledare. I den övre horisontella ledaren är en anslutningspunkt inritad till vänster och en till höger, den senare märkt ”NF” (lågfrekvens, LF). Uppe till vänster finns ett motstånd som är märkt ”ZF=10,7 MHz” (mellanfrekvens, MF). Mellan de två horisontella ledarna följer ett motstånd som nedtill är vidare anslutet till jord. Parallellt med det följer en variabel spole (halvbågar åt höger med en linje och ett avslutande tvärstreck genom spolen) och en parallellkopplad kondensator mellan de horisontella ledarna. I den övre ledaren finns åt höger en diod. Därefter är ytterligare en kondensator kopplad mellan de horisontella ledarna. Parallellt med den ligger ett motstånd. Från dess övre ände går ytterligare en kondensator till den högra anslutningspunkten. Kring spolen och den parallella kondensatorn finns en streckad ram med texten ”f_res ZF” (resonansfrekvens, MF). — Figur HAREC-13.28.6: FM-flankdiskriminator

En mycket liknande koppling som envelopdetektorn ovan kan användas för att demodulera FM-signaler. Från mellanfrekvensen i FM-mottagaren går signalen, som i figur HAREC-13.28.5, in i en svängningskrets vars resonansfrekvens $f_\text{res}$ är avstämd något över eller under FI-frekvensen $f_\text{FI}$. Därigenom ligger FM-signalen som ska demoduleras på svängningskretsens flank och omvandlar frekvensändringarna i FM till amplitudändringar. Med den efterföljande AM-demodulatorn demoduleras den nu till AM omvandlade FM-signalen och görs hörbar. Kopplingen, som visas i figur HAREC-13.28.6, kallas flankdiskriminator.

FM-modulerade signaler kan också demoduleras med en PLL (Phase Locked Loop) (se figur HAREC-13.28.7). I en PLL kopplas en spänningsstyrd oscillator (VCO) via en fasreglerslinga så att den följer en ingångssignals frekvens. När ingångssignalens frekvens ändras (FM-modulation) följer VCO:ns styrspänning FM-moduleringen. Styrspänningen motsvarar då exakt FM-signalens modulering och därmed den pålagda LF-signalen, och kan tas ut från PLL:en för vidare bearbetning.

1) Kort beskrivning: Blockschema med en parallell horisontell ledare, signalflöde från vänster till höger: ingång (”E”), block märkt ”Δφ”, filter, VCO, därifrån signalflöde tillbaka till blocket ”Δφ”; förbindelse från en punkt mellan filter och VCO till utgången (”A”).
2) Utförlig beskrivning: Bilden visar ett blockschema av flera moduler förbundna med två horisontella ledare. I den nedre horisontella ledaren går signalflödet från vänster till höger. Längst till vänster finns en anslutningspunkt ”E”. Det följer ett block med texten ”Δφ” och ett block med tre vågformade linjer, av vilka de två övre är överstrukna (filter). Ovanför finns ett block ”VCO”, från vilket en ledare leder tillbaka till blocket ”Δφ”. I den vertikala grenen mellan filtret och ”VCO” finns en horisontell avgrening till anslutningspunkten ”A”. — Figur HAREC-13.28.7: PLL för demodulation av FM-signaler

För att demodulera SSB-modulerade signaler använder man en så kallad produktdetektor. Den är i grunden en ringblandare, som du redan har mött i mottagarkapitlet, och som får mottagarens FI och en BFO (Beat Frequency Oscillator) som ingångssignaler. Genom blandning (produkt) av dessa två ingångssignaler uppstår som en av blandningsprodukterna den önskade LF-signalen, som kan tas ut på utgången för vidare bearbetning. För bästa möjliga begriplighet hos den demodulerade LF-signalen måste BFO:n ställas in på frekvensen för SSB-signalens undertryckta bärvåg.

1) Kort beskrivning: Kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning, med två horisontella ledare, två transformatorer och diodbryggkoppling; i den övre horisontella ledaren till vänster anslutningspunkten ”ZF-Amp.” (MF-förstärkare); mellan övre och nedre ledare primärlindningen på den vänstra transformatorn med parallellkopplad variabel kondensator, nedåt ansluten till anslutningspunkten ”+”; den vänstra transformatorns sekundärlindning är upptill och nedtill via en diod vardera förbunden med den högra transformatorns primärlindning; dessutom en diod från den högra transformatorns primärlindnings undre ände till den vänstra transformatorns sekundärlindnings övre ände och från den högra transformatorns primärlindnings övre ände till den vänstra transformatorns sekundärlindnings undre ände; förbindelse från mitten av den vänstra transformatorns sekundärlindning till den högra transformatorns sekundärlindnings undre ände; i den horisontella delen av denna förbindelse en avgrening nedåt mot jord och åt höger till en kondensator, från vilken en förbindelse går till mitten av den högra transformatorns primärlindning; dessutom går en förbindelse till höger om kondensatorn till anslutningspunkten ”NF” (lågfrekvens, LF); den högra transformatorns sekundärlindnings övre ände går till anslutningspunkten ”BFO” (beat frequency oscillator).

2) Utförlig beskrivning: Bilden består av ett kopplingsschema med rätvinklig ledningsdragning, med två horisontella ledare, två transformatorer och fyra dioder i bryggkoppling. I den övre horisontella ledaren finns till vänster en anslutningspunkt ”ZF-Amp.” (MF-förstärkare). Mellan den övre och den nedre ledaren ligger den vänstra transformatorns primärlindning med parallellkopplad variabel kondensator. Denna är nedåt ansluten till en anslutningspunkt ”+”. Sekundärlindningen är upptill och nedtill via en diod vardera förbunden med den högra transformatorns primärlindning. Dessutom förbinder en diod den högra transformatorns primärlindnings undre ände med den vänstra transformatorns sekundärlindnings övre ände, och en annan den högra transformatorns primärlindnings övre ände med den vänstra transformatorns sekundärlindnings undre ände. Från mitten av den vänstra transformatorns sekundärlindning går en ledare till den högra transformatorns sekundärlindnings undre ände. I den horisontella delen av denna förbindelse finns en avgrening nedåt mot jord och åt höger till en kondensator, från vilken en förbindelse går till mitten av den högra transformatorns primärlindning. Från kondensatorn går åt höger en förbindelse till en anslutningspunkt ”NF” (lågfrekvens, LF). Den högra transformatorns sekundärlindnings övre ände går till en anslutningspunkt ”BFO” (beat frequency oscillator). — Figur HAREC-13.28.8: Produktdetektor för demodulation av SSB-signaler

TODO — Figur HAREC-13.28.9: Exempel på spänningar i produktdetektorn

För att demodulera en SSB-signal används ofta en så kallad produktdetektor. Den kan till exempel byggas som en ringblandare. Som ingångssignaler får den SSB-signalen på mellanfrekvensen (FI) och signalen från en Beat Frequency Oscillator (BFO).

Funktionssättet kan förenklat förklaras med en växlande blandare. BFO-signalen växlar ringblandaren mellan två tillstånd. Förenklat kan man därför tänka sig BFO-signalen som en signal som växlar mellan värdena $+1$ och $-1$, som visas i det övre förloppet i figur HAREC-13.28.9.

FI-signalen släpps därmed växelvis igenom oförändrad eller med omvänd polaritet. I den förenklade framställningen kan FI-signalen därför betraktas som produkten av LF-signalen och BFO-växlingssignalen:

$$u_\mathrm{FI}(t)=u_\mathrm{LF}(t)\cdot s_\mathrm{BFO}(t)$$

I produktdetektorn multipliceras denna signal på nytt med BFO-signalen:

$$u_\mathrm{FI}(t)\cdot s_\mathrm{BFO}(t)=u_\mathrm{LF}(t)\cdot s_\mathrm{BFO}(t)\cdot s_\mathrm{BFO}(t)$$

Eftersom den förenklade BFO-växlingssignalen bara antar värdena $+1$ och $-1$ gäller:

$$s_\mathrm{BFO}^2(t)=1$$

Som lågfrekvent del återstår därmed den ursprungliga LF-signalen:

$$u_\mathrm{LF}(t)=u_\mathrm{FI}(t)\cdot s_\mathrm{BFO}(t)$$

Vid blandningen uppstår utöver den önskade LF-signalen ytterligare högfrekventa blandningsprodukter. Dessa undertrycks av ett lågpassfilter på produktdetektorns utgång.

För att den ursprungliga LF-signalen ska återfå rätt tonhöjd måste BFO:ns frekvens vara inställd så att den passar frekvensen för SSB-signalens undertryckta bärvåg.

Fortsätt till nästa avsnitt: Frekvensmätning med frekvensräknare