Демодуляцией называется процесс, обратный модуляции сигнала. Часто вместо демемодуляции используется термин детектирование. Для каждого типа модуляции существует свой тип демодуляции.

Модуляция — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала. В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Демодуляция АМ-сигналов может выполняться несколькими способами.

Самый простейший способ – двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сиг-нала) с последующим сглаживанием полученных однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.

На рис.1 приведен пример изменения однотонального амплитудно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1.

Как видно на рисунке, при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2ω_о и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции. Между постоянной составляющей и выделенной гармоникой энергия распределяется в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую.

Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. в данном случае на частотах {117, 120, 123} Гц, {177, 180, 183} Гц и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей).

Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой.

 

В соотвествии с типами модуляции существуют следующие типы демодуляции:

для аналоговых сигналов:

- амплитудная демодуляция,

- частотная демодуляция,

- фазовая демодуляция,

для цифровых сигналов:

- Амплитудно-фазовая демодуляция,

- Амплитудная демодуляция,

- Фазовая демодуляция,

- Демодуляция с непрерывной фазой (МНФ),

- Частотная демодуляция,

- Частотная демодуляция с минимальным сдвигом,

- Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом,

- Модуляция с расширением спектра,

- Многоканальная модуляция (разделение с мультиплексированием каналов),
 

При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний:

y(t) = u(t) cos ω_ot = U(t) cos ω_ot•cos ω_ot = ½ U(t) + ½ U(t) cos 2ω_ot.

Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удво-енной несущей частоте 2ω_o.

На рис.1 приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования, где новая несущая явно содержит дополнительные гармоники более высоких частот.

Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции подобен спектру двух-полупериодного детектирования, но однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2ω_o в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты ω_o и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала. Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис.2.

Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колеба-ния на Δω относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:

и амплитуда сигнала занижается, а при Δφ=π/2 становится равной нулю.

При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказы-вается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой:

при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений Δω.

Для частотной и фазовой синхронизации между несущим и опорным колебаниями в составе демодуляторов обычно используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты.

Демодуляция сигналов с угловой модуляцией много сложнее демодуляции сигналов АМ.

При демодуляции зарегистрированных и записанных в ЗУ цифровых сигналов обычно используется метод формирования комплексного аналитического сигнала с помощью преобразования Гильберта:

u_a(t) = u(t) + j u_h(t),

где u_h(t) – аналитически сопряженный сигнал или квадратурное дополнение сигнала u(t), которое вычисляется сверткой сигнала u(t) с оператором Гильберта (1/πt):

u_h(t) = (1/π) ∫u(t') dt'/(t-t').

Полная фаза колебаний представляет собой аргумент аналитического сигнала:

ψ(t) = arg(u_a(t)).

Дальнейшие операции определяются видом угловой модуляции. При демодуляции ФМ сигналов из фазовой функции вычитается значение немодулированной несущей ω_оt:

φ(t) = ψ(t) - ω_ot.

При частотной модуляции фазовая функция дифференцируется с вычитанием из результата значения частоты ω_о:

φ(t) = ψ(t)/dt - ω_o.

В принципе, данный метод может применяться и в реальном масштабе времени, но с определенной степенью приближения, поскольку оператор Гильберта слабо затухает.

При демодуляции в реальном масштабе времени используется квадратурная обработка, при которой входной сигнал умножается на два опорных колебания со сдвигом фазы между колебаниями в 90^о:

u₁(t) = u(t) cos ω_ot = U_m cos(ω_ot+φ(t) cosω_ot) = ½ U_m cos φ(t) + ½ cos(2ω_ot+φ(t)),

u₂(t) = u(t) sin ω_ot = U_m cos(ω_ot+φ(t) sinω_ot) = - ½ U_m sin φ(t) + ½ sin(2ω_ot+φ(t)).

Из этих двух сигналов фильтрами низких частот выделяются низкочастотные колебания, и формируется аналитический сигнал:

u_a(t) = ½ U_m cosφ(t) - ½ j U_m sinφ(t).

Аргумент этого аналитического сигнала, как и в первом случае, представляет полную фазу колебаний, обработка которой выполняется аналогично.