실험10 - 진폭 복조회로

I. 이론

1. 진폭변조 신호의 복조 (Demodulation of AM Signals)

: AM 신호

: modulation index

그림: 진폭변조 신호의 복조 [From blog.oureducation.in]

그림: AM 신호 복조 주파수 영역에서의 고찰 [From N. M. Ngo]

2. AM 신호 복조회로의 종류

ㅇ 다이오드 검파기(detector)

- Series-diode detector

- Shunt-diode detector

그림: 다이오드 검파회로. 좌: 직렬 다이오드 형, 우: 병렬 다이오드 형

ㅇ Produc detector

- 국부발진기(LO; local oscillator)는 복조하려는 신호의 carrier 신호와 비동기

그림: DSB-SC 신호의 product detector 개념

ㅇ Synchrous detector [From www.electronics-notes.com]

- Product dectector와 유사한 개념. LO 신호가 복조하려는 AM 신호의 carrier 신호와 동기

- 가장 우수한 특성 제공

3. 다이오드 포락선 검파기

ㅇ 다이오드 포락선 검파기(envelope detector) 회로

ㅇ AM 신호

- 전단에서의 출력저항(Rs)와 신호세기 범위 필요

ㅇ 정류기(Rectifier)

- 다이오드 D₁이 비선형 소자이므로 복조시 신호 왜곡 발생

- Threshold가 낮은 Schottky diode 사용

- 다이오드의 순방향 RF 저항 R_f가 R₁보다 훨씬 작아야지 AM 검파기의 효율이 높다.

ㅇ 포락선 검파기 (Envelope detector)

- 캐리어 신호 (주파수 f_c)는 차단하고 변조신호 (최대 주파수 f_m,max)는 통과하는 LPF

- 포락선 검파기의 시정수

너무 클 경우 변조 진폭의 변화를 따라가지 못함.

너무 작을 경우 복조된 신호에 리플이 많이 발생하고 출력이 감소.

반송파 주기보다 훨씬 길어야 하며 신호의 주기(최대 주파수 성분의 정현파 주기)보다 훨씬 작아야 함.

- 다음 단계의 입력과 임피던스가 정합되도록 적절한 값 사용

- 다음 조건을 만족하도록 설계

: C₁ 충전 시정수

: C₁ 방전 시정수

또는

f_c : 캐리어 주파수

f_m : 변조신호 주파수

m : 변조지수(modulation index)

ㅇ Carrier Remnant Suppressor

- 포락선 검파기를 통과한 신호에 carrier 신호성분이 들어 있음.

- 캐리어 신호 (주파수 f_c)는 차단하고 변조신호 (최대 주파수 f_m,max)는 통과하는 LPF

- R_l-C₁ 필터와 R₂-C₂ 필터는 2단 LPF를 구성한다.

- 다음 조건을 만족하도록 설계

ㅇ DC Monitor

- 반송파의 진폭을 측정하여 검파기 전단계 증폭기의 AGC 신호로 사용하기 위해 R₃와 C₃ 를 사용하여 검파된 DC 신호 측정

- R₃, C₃는 C₂에 걸리는 DC 전압 (캐리어 진폭의 제곱에 비례) 측정

- R₁C₁ 필터의 동작에 영향을 주지 않기 위해 다음 조건을 만족하도록 설계

- DC 성분만 남도록 차단 주파수가 다음과 같도록 설계

ㅇ DC Offset Remover

- 반송파 진폭의 제곱에 비례하는 DC 신호는 C₄와 R_L로 구성된 HPF에 의해 제거됨.

- R₁C₁ 필터의 동작에 영향을 주지 않기 위해 임피던스가 커야 함.

- 검파된 신호를 통과시키기 위해 차단 주파수가 다음을 만족하도록 설계

: HPF cutoff

4. AM 복조기 규격

ㅇ Discrete-components circuit

- 선형성(linearity): vm vs vout curve

- Frequency response flatness

- Dynamic range: max (vm) / min (vm)

- Distortion: total harmonic distortion

ㅇ Envelope detector IC: ADL5511

- Input signal frequency range: DC - 6 GHz

- Input signal power range: -29 dBm to 17 dBm per 50 Ω, 46 dB dynamic range

- Conversion gain: 1.42 V/Vrms

- Intercept: -5 mV

- Envelope bandwidth: 130 MHz

- Envelope delay (latench): 2 ns

- Power supply: 4.75 - 5.25 V, 21.5 mA (normal); power-down mode 0.13 mW

- Separate true RMS output

5. 설계 예제

ㅇ 다음 규격의 AM 복조기 설계

vs : fc = 130 kHz (carrier frequency)

Ps : -30 dBm to 20 dBm (Vpeak^2/(2*50) = Ps), 10 mV - 3.16 V

Rf = 10 Ω (diode RF resistance) (for theoretical calculation)

fm = 100 Hz - 15 kHz (modulation signal frequency)

Rs = 50 Ω

D1 = 1N914, 1N3604, BA281 (Si), 1N60P, 1N34A, AA143, AA118 (Ge), MBD501, BAT85S ISS86 (Schottky)

C1 = 1 nF, R1 = 10 kΩ

R2 = 100 kΩ, C2 = 56 pF

R3 = 330 kΩ, C3 = 470 μF

RL = 330 kΩ, C4 = 47 μF

1) C₁ 결정

2) R₁ 결정

3) R₂, C₂ 결정

: R₁C₁ 필터의 동작에 영향을 주지 않기 위해

4) R₃, C₃ 결정

R₃, C₃는 C₂에 걸리는 DC 전압 (캐리어 진폭에 비례) 측정

: R₁C₁ 필터의 동작에 영향을 주지 않기 위해

5) R_L, C₄ 결정

: R₁C₁ 필터의 동작에 영향을 주지 않기 위해

: HPF cutoff

ㅇ 설계한 AM 복조기 해석

1) 전달함수(transfer function) 계산

m = 0.25, 0.5, 0.75의 세 가지 경우

2) 동적영역(dynamic range) 계산

vm: m = 0.25, 1 kHz

vs = 0.01 V to 10 V

Plot vo vs vs

Plot vdc vs vs

3) Input spectrum and output spectrum

vm: m = 0.25, 1 kHz

vs = 2 V