ラベル #SDR の投稿を表示しています。 すべての投稿を表示
ラベル #SDR の投稿を表示しています。 すべての投稿を表示

2017年1月30日月曜日

数値演算式FMステレオ送信機(SDR/Direct Sampling Method)の基本設計

Direct Sampling Methodを意識した、数値演算によるFMステレオ用ベースバンド信号の発生方式(図1.)と、そのFMステレオ送信機(図2.)をLTspice上で、計算・シミュレートした。


図1. 数値演算によるFMステレオ送信機用ベースバンド信号の生成

このステレオ信号(図1.)は、何もFM変調だけで無く、別の変調機に接続してもステレオ送信はできる。
例えば、AM変調器、DSB変調器、PCM変調器でも、このベースバンド信号を入力すれば、ステレオ信号が送信できる原理になっている。
図1.は、もはや回路図というより、計算式をそのまま電圧式で書いただけのシンプルなものになっている。

図2. 数値演算によるFMステレオ変調送信機

図2.は、図1.で生成したステレオ信号を、LTspice組み込みのFM送信機パーツにつなぎ、その中心周波数 10.7MHz FM変調信号を生成してみた。


ブログ記事目次へ戻る

2016年12月17日土曜日

IQ直交復調器を使ったAM変調電波の復調(SDR用) ダイレクトコンバージョン式

図1.にキャリア周波数 5[MHz]とするベースバンド信号1[KHz]、変調度100%の信号をIQ復調回路で,(I,Q)複素数信号へ変換したシミレーション実験結果を示す。

AM復調の初歩的な計算では、キャリア電波の位相に対し、90度位相づれしたQ信号は0[V]になるが、シミュレーション結果は、回路内の位相ずれ計算も考慮されており、より高精度の計算結果となり、Q信号は0[V]にならないのが分かった。

この結果から、RF入力段の同調回路またはBPF回路は、受信周波数範囲で位相が平坦になるようにQを下げる等の設計上の改善が望ましいことが判明した。

計算上は、(I,Q)複素数信号をA/Dコンバータで数値変換後、Vo(t)=√(I^2+Q^2)の演算し、D/Aコンバータでアナログ信号に戻せば、AM同期検波ができる。

受信するRF信号の時間的位相変化による信号のフェーディング現象を気にしなければ、(I,Q)複素数信号のどちらか一方だけをアナログアンプに入力しても、プロダクト検波動作として、このままでもAM復調は可能である。

FFT結果の示すように、ダイオード検波で見られた復調信号の高調波成分が無くなり、音質はかなり改善が期待できる。

SSBの実受信実験では、市販の無線機よりも綺麗な音質で、パソコンのスピーカから聞こえた。
(ソフトはPowerSDR (C) Flex Radio inc.)を使用)

図1. 5[MHz] AM変調波を復調した(I,Q)複素数信号シミレーション実験結果

2016年12月4日日曜日

IQ直交変調器を用いたAM低電力変調方式(SDR用)


1. AM変調電圧式からAM変調送信機回路構成の導出

AM変調電圧式は次のように表現されます。

Vam(t)=A*{Vdc+x(t)}*sin(ωc*t) ...(1) 
ωc = 2*π*fc ...(2)

ここで、

Vam(t) : AM変調電圧の時刻t[s]の電圧関数
t     : 時刻t[s]
A    : 高周波アンプA1の利得 :A>0
x(t) : ベースバンド信号(入力する音声信号の時刻t[s]の電圧関数
Vdc: ベースバンド信号電圧x(t)を底上げするDC電圧, Vdc>0
ωc : キャリア(搬送波)発振器 Voscの角周波数[rad*Hz]
fc   : キャリア(搬送波)発振器 Voscの周波数[Hz]

式(1)に従い、SDR(Software Defined Radio)用AM変調器のブロック図は、図1.にそのまま導かれます。



図1. IQ直交変調器を用いたAM変調器のブロック図


2. AM変調波のキャリア信号(搬送波信号)と変調信号、それぞの式の意味

Vdcはキャリア成分は、式(1)より、次の式(2)が導かれます。

Vc(t)=A*Vdc*sin(ωc*t) ...(2)

{
 (i) Vdc = 1.0 の時 AM変調
 (ii) 0 < Vdc < 1.0 の時 キャリア低減式AM変調
 (iii) Vdc = 0 の時DSB変調
 (iv) Vdc >1.0 の時、キャリア増加式AM変調
         (この条件では変調波がキャリアより相対的に弱く、変調が浅くなる。)
}

(2)式は、直流電圧Vdcに比例して、キャリア信号電圧が強くなり、
逆にVdc が Vdc < 1.0 の条件では、キャリア信号電圧は減衰し、
Vdc=0 の条件では、Vc(t)=0 となりキャリア信号電圧が消え、
DSB変調波(Double Sided Band)が発生する原理が導かれます。

一方、式(1)から、変調波電圧成分Vs(t)の一般式(3)式が導かれます。

Vs(t)=A*x(t)*sin(ωc*t) ...(3)

ここでベースバンド信号電圧x(t)を単一周波数のコサイン波と仮定すると、

x(t)=B*cos(ωs*t)...(4)
ωs=2*π*fs ...(5) 

式(4)が求まります。

式(4)を、式(3)に代入すると、変調波電圧Vs(t)が次のように導かれます。

Vs(t)=A*x(t)*sin(ωc*t) 
        =A*B*cos(ωs*t)*sin(ωc*t) 
        =A*B*(1/2)*{ sin((ωc+ωs)*t)+sin((ωc-ωs)*t) }
        =(A*B/2)*{ sin(2*π*(fc+fs)*t)+sin(2*π*(fc-fs)*t) } ...(6)

ここで元まった式(6)は、変調波電圧は、

(a)振幅電圧 A*B/2[V]の周波数 fc+fs[Hz] のUSB電圧成分
(b)振幅電圧 A*B/2[V]の周波数 fc-fs[Hz]  のLSB電圧成分

これら(a)と(b)が加算された電圧成分であることを意味しています。


3. 回路設計、ソフトウェア設計と、シミュレーション動作確認

上記の計算式をベースにして、トップダウン方式でAM変調計算式から、ソフトウェア機能とハードウェア機能の分担を決め、全体システムを構成し、実回路での動作を、回路製作前にspice(ここではLTspice)を使い、シミュレーション動作確認しました。



図3.1 IQ直交変調器を使用したAM変調器の過渡解析結果その1


図3.1は、AM変調回路の出力信号を、長めの時間で過渡解析したものです。
図3.1は、AM変調波の変調波と、それをFFT解析した結果を示しています。
AM変調波らしい波形と、スプリアス低減比 -40dB程度の結果が得られました。
(スプリアス低減はBPF性能で大きく変化します。)

マイクロコンピュータからは、プログラムで出力されたベースバンド信号1KHzサイン波電圧にDC信号を加えた信号をI入力信号に与え、IQ直交変調器のQ側は使わず、Q入力信号を0Vにプログラム制御し、ハードウェア側はIQ変調器をアナログスイッチ74VHC4066と、BPFを構成しています。

局部発振器の源発振器は、20MHzのクロック発振器で、プログラム制御DDSで発振周波数を指定することを仮定しています。

この20MHz局部発振器の20MHzは、D-F/F(74HC74)で4分周し、0度、90度、180度、270度の4種類の位相をシフトした信号を生成し、位相が相対的に90度ずれた2相のクロック信号5MHzを、IQ直交ミキサーに入力しています。

図3.2 IQ直交変調器を使用したAM変調器の過渡解析結果その2


図3.2は、AM変調回路の出力信号のFFT解析を、中心周波数5MHzで周波数の横軸を拡大したものです。
5.000MHzにキャリア信号、5.001MHzに変調波成分のUSB側、4.999MHzに変調波成分のLSB側が出力されています。


図3.3 IQ直交変調器を使用したAM変調器の過渡解析結果その3


図3.3は、上記図3.1の過渡解析結果に、ベースバンド信号1KHzのサイン波と、AM変調出力信号、IQ直交発振器のIクロック信号、Qクロック信号、源局部発振器20MHzのクロック発信器の過渡解析信号を並べて表示したものです。


図3.4 IQ直交変調器を使用したAM変調器の過渡解析結果その4


図3.3は、上記図3.3の過渡解析結果の横の時間軸を引き伸ばして、クロック信号波形が期待値になっているかどうかを確認したものです。

4.課題

(1)  AM変調波のスプリアス低減 -60dB以下にすること。
(2)   IQ直交変調器のスプリアス低減
  理想乗算器に近い特性の実現
(3)  別方式として、変調電圧の全てをマイコンでの計算とADC,DACで実現する方式等の検討
(4) システム構成の実現性能、価格の最適化

Appendix

A. 判明した電気電子業界の誤情報:

SSB/DSB変調については、従来方式として、ダイオード4本を使ったリング変調器が有名で、TRIO社(現在のKenwood社)の大ヒット製品TS-520X/D等に採用され、世界中で広く使われました。
このリング変調器も電気的特性としては、アナログ乗算器と同様(同機能)のものです。
(厳密にはリング変調器はスイッチング動作による周波数変換器なので、ギルバートセル型アナログ乗算器(1968年US.PAT)の動作とは電気的動作が異なりますが、周波数変換機能は同一で、数式では乗算として同一機能に扱えます。)

専門書籍やラジオ専門誌では、こうしたリング変調器にDC電圧を加えると、リング変調器のバランスが崩れ、DSB(Double Sided Band)にキャリアが現れ、AM変調信号になる、という(おそらく誤った)説が広がったままのようです。

しかし、上の式(1), 図1.を見ると、リング変調器またはアナログ乗算器に加えられる電圧は、ベースバンド信号 x(t)にDC電圧を底上げするVdc[V]をアナログ加算演算したものに該当します。
決してVdc[V]が電気的に乗算器のバランスを崩すことはないはずです。

このため、過去に書籍に書かれてきたような、「リング変調器へDC電圧を与えることでそれがバランスを崩しキャリア信号が現れる」という電気的動作現象は電気的・理論的にはあり得ず、むしろバランスしたアナログ乗算動作こそが、AM変調方式に重要な、必須の回路動作の必要条件と考えられます。


B. AM変調度の定義がおかしい?

従来まで、AM変調では変調度100%以上が過変調で変調信号が歪む」と書籍に書かれてきました。
では、SSB変調ではどうでしょう?
SSBではキャリア信号が無いので、変調度式の分母が0になり、変調度値は無限大になってしまいます。SSB変調信号は、変調度無限大ですが、歪んでいるでしょうか。

キャリアを低減したAM変調方式でも、こうしたAM変調度の定義がおかしいことがわかります。

すなわち、上記計算式からは、アナログ乗算器が歪みなくリニア増幅できる条件(ダイナミックレンジが十分に広い時)では、変調度は100%を超えても全く歪みは発生しない結果が導かれます。
従って、従来のAM変調度定義式そのもの、またはその考え方に基礎的な誤りがあるのかもしれません。

このため、プロダクト検波式受信機では、従来言われてきた過変調のAM信号波は、何ら歪みなく、変調波からベースバンド信号を復調して受信できると予想されます。


Rev.0.0 2016/12/04 初版
Rev.0.1 2016/12/10 回路シミュレーション動作確認結果を追記


ブログ記事目次へ戻る


2016年11月5日土曜日

Synchronized AM demodulator by using “IQ demodulator” and calculations of square-multiplying and square root 

Synchronized AM demodulator by using “IQ demodulator” and calculations of square-multiplying and square root (Preliminary)
IQ(直交)復調器と、自乗、加算、平方根計算を使った数値演算式AM同期検波方式理論
(C) Noboru, Ji1NZL, Nov. 2, 2016


[Abstract] 
AM receivers can cancel the change of the phase on the received signal by using an IQ demodulator and the math operation Vout = √(I(t)^2+q(t)^2). 
The IQ demodulator here may configured by analog circuit and that the math operation Vout = √(I(t)^2+q(t)^2) can be calculated by some MPU or DSP. This AM detector can get good quality of sound with very low distortion.

 Fig.1 An architecture of AM synchronized detector

1. How the AM synchronized demodulator works

AM RF signal received on the radio expressed as the equation (1). 
Here, I assume that Vam changes the phase θ(t)[rad] on the propagation path of the AM RF/ ( E/M ) wave. 

Vam= ( Vdc+x(t) )*Vc*sin(ωc*t+θ(t)) …(1)  

Vdc : DC voltage at AM modulator. Unit is [V].
x(t) : Baseband signal function for AM modulator. Unit is [V].
Vc  : Carrier peak voltage that AM receiver receives. Unit is [V].
ωc : Angular frequency of the AM modulator. Unit is [rad・Hz].
fc  : Frequency of the carrier ωc. Unit is [Hz].

There is a problem that the signal strength of decoded tone changed by this phase change. For example, when the receiver used the oscillator frequency = π/2 [rad] shifted for the equation (1), the decoded signal becomes 0. It means there is no tone. Or we feel it as “fading” phenomenon as time goes on.

The AM decoder here synchronized with the phase of the carrier, fix this problem.
Assume the baseband signal is a sine wave voltage of single audio frequency defined as (2) here.

x(t)=Vs*sin(ωs*t) …(2)  

Vs  :  Peak voltage of (2). Unit is [V].
ωs : Angular frequency of a sine baseband signal. Unit is [rad・Hz].
ωs = 2πfs …(3)
fs : Frequency of baseband sine wave. Unit is [Hz].

The voltage of the oscillator Vosc is expressed as

Vosc = Vo*sin(ωc*t) …(4)

Vo : Peak voltage of (4). Unit is [V].

At the equation (1), 

sin(ωc*t+θ(t)) = sin(ωc*t)*cos(θ(t))+cos(ωc*t)*sin(θ(t))  … (5)

Then (1) becomes


Vam= Vc*{Vdc+ Vs*sin(ωs*t)}* { sin(ωc*t)*cos(θ(t))+cos(ωc*t)*sin(θ(t)) } …(6)
      = Vc{ Vdc*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vdc*(cos(ωc*t)*sin(θ(t))) )
              +Vs*sin(ωs*t)*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vs*sin(ωs*t)*cos(ωc*t)*sin(θ(t)) } …(7)

Since V3 = Vam*Vosc , then (7)x(4) becomes V3,

V3 = Vc{ Vdc*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vdc*(cos(ωc*t)*sin(θ(t))) )
              +Vs*sin(ωs*t)*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vs*sin(ωs*t)*cos(ωc*t)*sin(θ(t)) } * Vo*sin(ωc*t)

=Vc*Vo{ Vdc*(sin(ωc*t))^2*cos(θ(t))+Vdc*(sin(ωc*t)*cos(ωc*t)*sin(θ(t))) )
            +Vs*(sin(ωs*t)*sin(ωc*t))^2*cos(θ(t))+Vs*sin(ωs*t)*sin(ωc*t)*cos(ωc*t)*sin(θ(t)) }

=Vc*Vo{ (sin(ωc*t))^2* {Vdc*cos(θ(t)) + Vs*sin(ωs*t)*cos(θ(t))}
            + (sin(ωc*t)*cos(ωc*t)*{ Vdc*sin(θ(t)) + Vs*sin(ωs*t)*sin(θ(t)) } }

=Vc*Vo{ (sin(ωc*t))^2* (Vdc + Vs*sin(ωs*t))*cos(θ(t))
          + (sin(ωc*t)*cos(ωc*t)) *(Vdc + Vs*sin(ωs*t))*sin(θ(t)) }  …(8)


Here,
(sin(ωc*t))^2 = (1/2)*(cos(2*ωc*t)-cos(ωc-ωc)) = (1/2)*{cos(2*ωc*t)-1}  …(9) 
sin(ωc*t)*cos(ωc*t) =(1/2)*sin(2*ωc*t) …(10)

Replace (sin(ωc*t))^2 and sin(ωc*t)*cos(ωc*t) in (8) by (9) and (10)
Then

V3 = Vc*Vo{  (1/2)*{cos(2*ωc*t)-1} * (Vdc+Vs*sin(ωs*t))*cos(θ(t)) + (1/2)*sin(2*ωc*t) *(Vdc+Vs)*sin(θ(t)) } 
    = Vc*Vo{ (1/2)*cos(2*ωc*t)*(Vdc+Vs)*cos(θ(t)) -(1/2)* (Vdc+Vs)*cos(θ(t)) + (1/2)*sin(2*ωc*t) *(Vdc+Vs*sin(ωs*t))*sin(θ(t)) }  …(10)

Very high RF frequency voltage cos(2*ωc*t) and cos(2*ωc*t) can be remove from (10) by LPF,

Then
V-i = Vc*Vo{ -(1/2)* (Vdc+Vs*sin(ωs*t))*cos(θ(t)) }  
    = -(1/2)*Vc*Vo{ (Vdc+Vs*sin(ωs*t)) *cos(θ(t)) } …(11)

V2 is -π/2[rad] shifted signal of the oscillator (4),

V2= Vo*sin(ωc*t-π/2) = -Vo*cos(ωc*t) …(12)

Here the equations (4) and (12) configures as so-called an “orthogonal oscillator”. 
They may generate orthogonal sine waves or square (pulse) waves that they are shifted -π/2 [rad] each other.

When the orthogonal oscillator generates sine waves, the mixer devices must be used as analog multipliers.

When the orthogonal oscillator generates square (pulse) waves, analog switches can be used as the mixer devices. 

Get V4 = Vam * V2, 
V4 = Vc{ Vdc*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vdc*(cos(ωc*t)*sin(θ(t))) )
            +Vs*sin(ωs*t)*sin(ωc*t)*cos(θ(t))+Vs*sin(ωs*t)*cos(ωc*t)*sin(θ(t)) } * (-Vo*cos(ωc*t)) }
    = -Vc*Vo{ Vdc*sin(ωc*t)*cos(ωc*t)*cos(θ(t))+Vdc*((cos(ωc*t)^2)*sin(θ(t))) )
                    +Vs*sin(ωs*t)*sin(ωc*t)*cos(ωc*t)*cos(θ(t))+Vs*sin(ωs*t)*(cos(ωc*t))^2*sin(θ(t)) }
    =  -Vc*Vo{ sin(ωc*t)*cos(ωc*t){Vdc*cos(θ(t)) +Vs*sin(ωs*t)*cos(θ(t))}
                    +((cos(ωc*t)^2) {Vdc*sin(θ(t))+ Vs*sin(ωs*t)*sin(θ(t))}  }
  =  -Vc*Vo{ sin(ωc*t)*cos(ωc*t){Vdc +Vs*sin(ωs*t)}*cos(θ(t))
                  +((cos(ωc*t)^2) {Vdc+ Vs*sin(ωs*t)}*sin(θ(t))) } …(13)

Here,
(cos(ωc*t))^2 = (1/2)*(cos(2*ωc*t)+cos(ωc-ωc)) = (1/2)*{cos(2*ωc*t)+1}  …(14) 

sin(ωc*t)*cos(ωc*t) =(1/2)*sin(2*ωc*t) …(10)

V4 = -Vc*Vo{  (1/2)*sin(2*ωc*t) *{Vdc +Vs*sin(ωs*t)}*cos(θ(t))
                  +((1/2)*{cos(2*ωc*t)+1}) {Vdc+ Vs*sin(ωs*t)}*sin(θ(t))) }
    = -Vc*Vo{  (1/2)*sin(2*ωc*t) *{Vdc +Vs*sin(ωs*t)}*cos(θ(t))
                  +((1/2*Vdc)*{cos(2*ωc*t)) + (1/2){Vdc + Vs*sin(ωs*t)}*sin(θ(t))} ) } …(15)

Very high RF frequency voltage sin(2*ωc*t) and cos(2*ωc*t) can be remove from (15) by LPF,

Then
V-q= -Vc*Vo{ (1/2){Vdc + Vs*sin(ωs*t)}*sin(θ(t))} ) } 
= -(1/2)*Vc*Vo*{Vdc + Vs*sin(ωs*t)} *sin(θ(t)) } …(16)

Here, define K(t) is as
K(t) ≡ -(1/2)*Vc*Vo*{Vdc + Vs*sin(ωs*t)} …(17)

Then (16) can be written as
V-q = K(t)*sin(θ(t)) …(18)

and (11) can be written as
V-i = K(t)*cos(θ(t))  …(19)

By using (18) and (19),

V-i^2 + v-q^2 = {K(t)*cos(θ(t)) }^2 + {K(t)*sin(θ(t))}^2
                    = K(t)^2*{cos(θ(t))}^2 + K(t)^2*{sin(θ(t))}^2 
                    = K(t)^2*{ {cos(θ(t))}^2 + {sin(θ(t))}^2 }  … (∵ {cos(θ(t))}^2 + {sin(θ(t))}^2 =1 )
                    = K(t)^2

∴ √(V-i^2 + v-q^2) = K(t)
                            = -(1/2)*Vc*Vo*{Vdc + Vs*sin(ωs*t)} …(20)

The equation (20) is the same as AM decoded voltage Vout on the Fig.1.
∴ Vout = -(1/2)*Vc*Vo*{Vdc + Vs*sin(ωs*t)} 
            = -(1/2)*Vc*Vo*Vdc  - (1/2)*Vc*Vo*Vs*sin(ωs*t) …(21) 

The equation (21) does not have the variable θ(t) in these parameters.
And Vo and Vdc are constant value. 
The DC voltage -(1/2)*Vc*Vo*Vdc [V] can be removed by some condenser such as 1uF.
Vc (signal strength) can change according to the time goes. 
However it can be nearly constant by using AGC (Automatic Gain Control) in the receiver.

This means output signal voltage Vout is extracted the baseband signal Vs*sin(ωs*t) as the output “Vout” from Vam, 
it is independent of change value of the phase θ(t),
and the AM Synchronized reception is possible by using the architecture of Fig.1.

I draw the Fig.1 by referencing the schematic[1] and changed the delay function to configure an orthogonal OSC(oscillator). that generates a 1MHz sine or square (pulse) wave and a π/2 [rad] shifted one.

If voltages V-i and V-q are sampled by A/D convertors, MPU or DSP can calculate Vout by the equation (21). 


Fig.2 is an example of simulation result of the transient analysis by LTspice iV developed by (C) Linear Technology inc. 
The quality of the detector is pretty better than the traditional diode detector.


Fig.2 Simulation result of the transient analysis by LTspice iV 

 
                        Fig.3  An example of actual work of demodulation by "IQ demodulator" 


      Fig.4  An example of assembling of "IQ memodulator" RF front end PB

2. Subjects

(1) Frequency stability of the orthogonal oscillator and error of demodulated tone

    The orthogonal signal oscillator have to have good frequency stability such as a few Herz.
    But old type of PLL that sets the frequency such as 100Hz every steps is used, 100Hz low beat can occur.
    Frequency error for the orthogonal oscillator can affect the tone difference. Especially, when listening music or songs. 
    It seems that human’s ears are very sensitive for 8Hz frequency drift.
    Accuracy and stability of frequency for the orthogonal oscillator is very important.  
    Latest DDS can satisfy this accuracy.

(2) Sampling noise of ADC (AD converter)
    The sampling noise of ADC (AD convertor) may affect the RF input of the receiver. It must be minimized.

(3) Switching noise of Analog switches
    When analog switches are used as the orthogonal mixer, they generates some noise. However, it can removed by LPF.
    In the actual experiments, they are practical enough.

(4) Wide dynamic range of AM demodulator
    The traditional diode AM detector so called “Peak detector” or “Envelope detector” generates harmonics tone such as 2KHz, 3KHz, …. if the baseband frequency is 1KHz used. This is derived from the electric characteristics of exponential function on the diodes current.  { The current on diode is expressed as  “ i = Is*(exp(K*v)-1) “. }
This demodulator can have much wider dynamic range for the baseband signal swings then the diode detector. 
Because the demodulator by analog multipliers or analog switch can have wide dynamic range without tone distortion such as the traditional diode detector.

(5) Programmable LPF/BPF
The LPF/BPF at I/Q output sides can be defined by the software on the DSP or MPU. Eg. FIR filter, IIR filter.
These LPF/BPF also can be configured by the analog circuit such as CR filter, LC filter, or other filter used with OP amps.  

References:
[1] The schematics of “AM synchronous detector” by the author Mr. “Kaikyou no Kaze” / “The wind from the sea” 
(Copyright of the schematics is reserved and is respected as nice knowledge of the author.)

Return to INDEX

2016年7月24日日曜日

Theory of FM/PM demodulation using IQ demodulator ( preliminary )

Theory of FM/PM demodulation using IQ demodulator ( preliminary )
(C) Noboru, Ji1NZL JULY 22, 2016
I tried to configure FM/PM demodulation architectures by using IQ demodulator and MPU/DSP calculations.


1. Hardware architecture of IQ demodulator


 See at Fig. 1. It is the same as the IQ demodulator defined before for AM/SSB/CW modulated signal.
Fig.1 IQ demodulator for general purpose


2.  FM modulation : How to demodulate FM modulation signal


FM modulation voltage signal is expressed as the following equation (1).
Vfm=Vrf*cos(ωc*t+k*∫x(τ)dτ) …(1)
ψ(t) ≡ k*∫x(τ)dτ, integral τ: from 0 to t ( “t” is time variable by second unit) …(2)


Vosc=Vc*sin(ωc*t) …(3)
V2=Vc*sin(ωc*t-π/2) = -Vc*cos(ωc*t)…(4)


V3=Vfm*Vosc
   =Vrf*cos(ωc*t+ψ(t)) * Vc*sin(ωc*t)
   =Vrf*Vc*(1/2)*{ sin(ωc*t+ψ(t)+ωc*t) +sin(ωc*t-(ωc*t+ψ(t) )  }
   =(Vrf*Vc/2)*{ sin(2*ωc*t+ψ(t)) +sin(-ψ(t) }
   =(Vrf*Vc/2)*{ sin(2*ωc*t+ψ(t)) -sin(ψ(t) } …(5)


At (5), sin(2*ωc*t+ψ(t)) can be removed by LPF, then
V-i = (-Vrf*Vc/2)*sin(ψ(t)) …(6)


V4=Vfm*V2
   =Vrf*cos(ωc*t+ψ(t)) * ( -Vc*cos(ωc*t) )
   = -Vrf*Vc* cos(ωc*t+ψ(t)) * cos(ωc*t)
   = -Vrf*Vc*(1/2){ cos(ωc*t+ψ(t)+ωc*t) + cos(ωc*t+ψ(t) -ωc*t) }
   = (-Vrf*Vc/2){ cos(2*ωc*t+ψ(t)) + cos(ψ(t) } …(7)


At (7), cos(2*ωc*t+ψ(t)) can be removed by LPF, then
V-q = (-Vrf*Vc/2)*cos(ψ(t)) …(8)


Try to get Vrf from (6) and (8).
(V-i)^2  = {(-Vrf*Vc/2)*sin(ψ(t)}^2  = (Vrf*Vc/2)^2 * (sin(ψ(t))^2 …(9)
(V-q)^2 = {(-Vrf*Vc/2)*cos(ψ(t)}^2 = (Vrf*Vc/2)^2 * (cos(ψ(t))^2 …(10)
(9)+(10) is
(V-i)^2 + (V-q)^2 = (Vrf*Vc/2)^2 * (sin(ψ(t))^2 + (Vrf*Vc/2)^2 * (cos(ψ(t))^2
                       = (Vrf*Vc/2)^2 * {(sin(ψ(t))^2 +(cos(ψ(t))^2}
                       = (Vrf*Vc/2)^2 …(11)  ∵ sin(ψ(t))^2 +(cos(ψ(t))^2 = 1
Get root of (11)
√{(V-i)^2 + (V-q)^2} = Vrf*Vc/2 …(12)
MPU/DSP can calculate unknown Vrf from (12)
Vrf = 2*√{(V-i)^2 + (V-q)^2} /Vc …(13) -> (*[Note1}
Put calculated Vrf of (13) to (6), then get V-i.
V-i = ( - (2*√{(V-i)^2 + (V-q)^2} /Vc) *Vc/2)*sin(ψ(t)
   =  - (√{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) *sin(ψ(t)) ,  ∵ “2” and Vc are cancelled here.
 
-V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) = sin(ψ(t))
∴ ψ(t) = arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) ) …(14)
from (2) ψ(t) ≡ k*∫x(τ)dτ, then
k*∫x(τ)dτ= arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) ) …(15)
∴ x(t) = (1/k)* d/dt { arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) ) } …(16)
(16) means the baseband signal voltage x(t) of FM signal of (1) is demodulated.
(Done)


3. PM modulation : How to demodulate PM modulation signal

PM modulation voltage signal is expressed as the following equation (17).
Vpm=Vrf*cos(ωc*t+k*Φ(t)) …(17)
ψ(t) ≡ k*Φ(t),  Φ(t) is baseband signal for phase modulation  …(18)
I can exchange ψ(t) ≡ k*Φ(t) instead of (2).
Then from (14), I get
ψ(t) = arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) ) …(14)’
From (18),
k*Φ(t) = arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) )
Φ(t) = (1/k)*arcsin( -V-i / ( √{(V-i)^2 + (V-q)^2} ) ) …(19)
(19) means the base band signal voltage Φ(t) of PM signal of (17) is demodulated.
(Done)


->[Note1]:

Received unknown variable “Vrf" can be calculated by MPU or DSP. This calculation by MPU or DSP in the equation (13) is some kind of equivalent function of so called “limiter amplifier” for the traditional analog FM receivers.



Theory of FM/PM modulation using IQ modulator( preliminary )

Theory of FM/PM modulation using IQ modulator( preliminary )
 (C) Noboru, Ji1NZL JULY 21, 2016
I tried to configure FM/PM modulation circuit architectures from FM/PM equations
as my top-down design method.


1. FM modulation : How to generate FM modulation signal

FM modulation voltage signal is expressed as the following equation (1).
Vfm=Vc*cos(ωc*t+k*∫x(τ)dτ) …(1)
ψ(t) ≡ k*∫x(τ)dτ, integral τ: from 0 to t ( “t” is time variable by second unit) …(2)


From (1) and (2), I get
Vfm=Vc*cos(ωc*t+ψ(t))
     =Vc*{cos(ωc*t)*cos(ψ(t)) - sin(ωc*t)*sin(ψ(t)) }
     =Vc*{ cos(ωc*t)*(-sin(ψ(t)-π/2) ) - cos(ωc*t-π/2)*sin(ψ(t)) }
     = {-Vc*cos(ωc*t)}*sin(ψ(t)-π/2) }  + {-Vc*cos(ωc*t-π/2)*sin(ψ(t)) } …(3)


At the equation (3), I get the following functions from (D-1) to (D-5) that they realize the electric works introduced from the equation (1).
 
(D-1) -Vc*cos(ωc*t)} can be defined as a VFO or an oscillator of frequency
of ωc[rad*Hz], and the inverted amplitude voltage is -Vc[V].
(D-2) -Vc*cos(ωc*t-π/2) can be defined as the phase shifted -π/2 [rad] of a VFO or an oscillator that is predefined in (D-1).
(D-3) ψ(t) can be defined as the integral signal of base band signal k * x(t)  .
(D-4) sin(ψ(t)) is the value of sine function’s value of ψ(t).
(D-5) sin(ψ(t)-π/2) is -π/2 phase shifted signal of (D-4).


From the definitions from (D-1) to (D-5), the block diagram of the FM modulator can be written as Fig.1 by using a IQ modulator.

Fig1. FM modulator used an IQ modulator

Here, the architecture of FM modulation circuit is introduced from the equation (1).
(Done)


2. PM modulation : How to generate PM modulation signal

PM modulation voltage signal is expressed as the following equation (4).
Vpm=Vc*cos(ωc*t+ψ(t)) …(4)
ψ(t) ≡ k*Φ(t), Φ(t) is assumed as phase value of baseband signal …(5)
As the equation (4) is the expressed as same way of (1), then I get
Vpm=Vc*cos(ωc*t+ψ(t))
     = { -Vc*cos(ωc*t)*sin(ψ(t)-π/2) } + {-Vc*cos(ωc*t-π/2)*sin(ψ(t)) } …(6)
The equation (6) means I can simply define ψ(t) ≡ k*Φ(t) instead of FM case of (2).


At the equation (6),
The equation (6) introduces the block diagram of PM modulation circuit as the Fig.2.

Fig.2 PM modulator used an IQ modulator

Fig.2 is simply the diagram that is same as the FM modulator without an integral circuit.
The architecture of PM modulation circuit is introduced from the equation (6).
(Done)

(Return to index)