دمدولاسیون دامنه چیست؟- بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، دمدولاسیون دامنه (AM Demodulation) یک فرایند کلیدی برای دریافت سیگنال‌هایی است که بر روی آن‌ها مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulated Signals) انجام گرفته است. به عبارت دیگر، دمدولاسیون روندی است که توسط آن اطلاعات اصلی ارسال شده را از سیگنال دریافتی کلی استخراج می‌کنیم. فرایند دمدولاسیون برای سیگنال‌های مدولاسیون دامنه یا AM، می‌تواند به روش‌های مختلفی انجام گیرد. هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. دمدولاتور (Demodulator) در واقع مدار یا نرم افزاری است که برای بازیابی محتوای اطلاعات از سیگنال مدوله شده دریافتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب قصد داریم به بیان انواع مدارات و نیز شبیه‌سازی دمدولاسیون دامنه در نرم‌افزار متلب بپردازیم.

آشکارسازی یا دمدولاسیون دامنه

معمولا عبارت‌های آشکارسازی (Detection) و دمدولاسیون (Demodulation) برای اشاره به فرایند کلی بازیابی اطلاعات از سیگنال مدوله شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر دو عبارت، اساسا یک مدار و یک فرایند را توصیف می‌کنند. همچنین مداراتی مانند آشکارساز دیودی (Diode Detector)، آشکارساز سنکرون (Synchronous Detector) و آشکارساز ضرب (Product Detector) به صورت گسترده در دمدولاسیون دامنه مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما در واقع، عبارت دمدولاسیون را زمانی بیشتر استفاده می‌کنیم که بخواهیم به فرایند استخراج سیگنال مدوله شده از سیگنال دریافتی اشاره کنیم.

عبارت آشکارساز کاربرد قدیمی‌تری دارد و به اوایل استفاده از رادیو باز می‌گردد. بنابراین، می‌توان گفت که دمدولاسیون واژه کلی‌تری است و به تمام فرایند استخراج اطلاعات اشاره می‌کند. واژه‌های دمدولاسیون و مدولاسیون امروزه در علم مخابرات بسیار رایج هستند. بلوک دیاگرام فرایند دمدولاسیون در شکل زیر نشان داده شده است.

بلوک دیاگرام فرایند دمدولاسیون

تکنیک‌های دمدولاسیون دامنه

برای دمدولاسیون دامنه، تعدادی تکنیک وجود دارند. این تکنیک‌ها هر کدام در کاربرد‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دارای عملکرد و هزینه متفاوتی هستند.

آشکارساز پوش یکسوساز دیودی (Diode Rectifier Envelope Detector): این نوع از مدارات را می‌توان ساده‌ترین فرم مدارات آشکارساز در نظر گرفت. در واقع این مدار فقط به یک دیود و تعدادی المان پایه دیگر، با قیمت پایین نیاز دارد. عملکرد این آشکارساز، برای انتشار رادیویی AM ارزان قیمت کافی است، اما نمی‌تواند استاندارد‌های سایر انواع دمدولاسیون را برآورده کند.
آشکارساز ضرب: می‌توان سیگنال مدولاسیون دامنه را با استفاده از یک گیرنده دمدولاسیون کرد که شامل یک آشکارساز ضربی و نوسان‌ساز تک فرکانس محلی است.

آشکارساز سنکرون: این نوع از مدارات آشکارساز، دارای عملکرد بهینه هستند و از یک ترکیب‌کننده یا آشکارساز ضرب با فرکانس نوسان محلی استفاده می‌کنند که فرکانس نوسان با فرکانس سیگنال حامل سنکرون است. این روش دمدولاسیون دارای مزایای زیادی نسبت به سایر روش‌ها است.

آشکارساز دیودی

آشکارساز دیودی AM، در واقع یک آشکارساز پوش محسوب می‌شود. در تصویر زیر نمایی از یک رادیو ترانزیستوری که از آشکارساز پوش دیودی استفاده می‌کند را می‌توان مشاهده کرد.

یک رادیوی ترانزیستوری

همان طور که از نام این آشکارساز مشخص است، مدار از یک دیود (یا سایر المان‌های غیرخطی) تشکیل شده است. در واقع این مدار دو المان اساسی دارد.

دیود یا یکسوساز: دیود در این مدار به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد تا نصفی از سیگنال دریافتی را بر نصف دیگر آن ترجیح دهد یا انتخاب کند.

فیلتر پایین گذر: استفاده از فیلتر پایین گذر در این مدار برای حذف المان‌های فرکانس بالا موجود در سیگنال، پس از شناسایی و دمدولاسیون، ضروری است. این فیلتر گاهی از یک شبکه RC تشکیل می‌شود، اما در برخی موارد می‌توان به سادگی از پاسخ فرکانسی محدود شده مدار پس از یکسوسازی استفاده کرد. در شکل زیر نمایی از مدار یک آشکارساز پوش دیودی در یک گیرنده رادیویی AM را مشاهده کنید.

مدار آشکارساز پوش دیودی

فرایند آشکارساز دیود AM

خروجی آشکارساز دیود AM (در یکسوسازی سیگنال RF) برابر با پوش یک نیمه از سیگنال است. به همین دلیل است که به این مدار آشکارساز پوش می‌گویند. سیگنال RF مدوله شده دامنه، مانند شکل زیر از ولتاژ‌های مثبت و منفی تشکیل شده است.

فرایند آشکارسازی پوش دیودی

آشکارساز پوش دیودی، موج ورودی را یکسوسازی می‌کند و فقط نیمه مثبت یا منفی پالس ورودی را باقی می‌گذارد. سپس المان‌های فرکانس بالای این خروجی توسط فیلتر پایین گذر حذف می‌شوند. معمولا این فیلتر پایین گذر از یک خازن تشکیل می‌شود که به صورت موثری قادر است جای المان‌های فرکانس بالا را پر کند و در نهایت سیگنالی تولید می‌شود که یک ترانسدیوسر (Transducer) مانند هدفون یا بلندگو می‌تواند به آن پاسخ دهد و آن را به سیگنال صوتی تبدیل کند.

تطبیق امپدانس

در آشکارساز‌های پوش دیودی که در مدارات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند، غالبا لازم است که با امپدانس ۵۰ اهم تطبیق داشته باشند. مدار متشکل از دیود، مقاومت بار و خازن صاف‌کننده نمی‌تواند تطبیق امپدانس خوبی را با ۵۰ اهم فراهم کند. اگر دیود آشکارساز در حالت روشن خود قرار داشته باشد، مدار احتمالا دارای امپدانس کمتر از ۵۰ اهم خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل، معمولا از یک ترانسفورمر امپدانس برای تنظیم استفاده می‌شود.

مزایا و معایب آشکارساز پوش دیودی

سال‌ها از مدارات آشکارساز دیودی برای دمدولاسیون دامنه یا AM استفاده می‌شود. مزایای این مدارات به صورت خلاصه عبارتند از:

قیمت پایین: برای ساخت این مدارات فقط به تعدادی المان پایه با قیمت بسیار پایین احتیاج است. به همین دلیل، این مدارات برای کاربرد در رادیو‌های ترانزیستوری ساده با استفاده از قطعات گسسته بسیار ایده آل هستند.

سادگی: مدار آشکارساز دیوید از تعداد کمی قطعه ساخته شده است، بنابراین پیاده‌سازی آن بسیار آسان است. این مدار عملکرد قابل قبولی دارد و به تنظیمات خاصی احتیاج ندارد.

معایب اصلی آشکارساز‌های دیویدی عبارتند از:

اعوجاج: به دلیل این‌که دیود دارای مشخصه غیرخطی است، باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال صوتی آشکارشده می‌شود.

محوشدگی گزینشی (Selective Fading): یکی از مشکلاتی موجود در باند امواج متوسط و کوتاه، که انتقال AM در آن قرار گرفته است، محوشدگی گزینشی است. آشکارساز پوش دیود، قادر نیست که مانند برخی دیگر از روش‌های آشکارسازی با این اثر مقابله کند و به همین دلیل هنگام رخ دادن اثر محوشدگی گزینشی، اعوجاج هم در سیگنال اتفاق می‌افتد.

حساسیت: آشکارساز‌های دیودی به اندازه سایر مدارات آشکارساز، حساسیت بالایی ندارند. اگر از دیود‌های سیلیکونی استفاده شود، مدارات آشکارساز به ولتاژ روشنایی در حدود ۰٫۶ ولت نیاز خواهند داشت. در نتیجه از دیود‌های ژرمانیوم و یا شاتکی (Schottky) در این مدارات استفاده می‌شود که به ولتاژ پایین‌تری، در حدود ۰٫۲ تا ۰٫۳ ولت برای روشنایی احتیاج دارند. حتی با وجود استفاده از دیود‌های شاتکی، باز هم مدارات آشکارساز پوش دیودی حساسیت پایینی دارند.

آشکارساز دامنه دیودی AM سال‌های زیادی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته با وجود اینکه امروزه از مدولاسیون دامنه بسیار کمتر استفاده می‌شود و سایر انواع دمدولاتور‌های AM را می‌توان به سادگی توسط مدارات مجتمع ایجاد کرد، اما باز هم این آشکارساز دارای کاربرد‌های خاص خود است.