..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..
Детектированием (демодуляцией) называется процесс преобразования модулированного высокочастотного сигнала в колебание, форма которого воспроизводит низкочастотный модулирующий сигнал. Детекторы (демодуляторы) выполняют функцию, обратную функции, осуществляемой модуляторами, и подразделяются на амплитудные, частотные, фазовые, импульсные, цифровые.
Амплитудные детекторы. Рассмотрим процесс детектирования простейшего однотонального АМ-сигнала. На вход детектора АМ-сигнала (АМ-детектора) подается высокочастотное модулированное колебание вида:
uвх (t)= Uвх (1+M cos Ωt) cos ω0 t = Uвх (t) cos ω0 t
где
Uвх (t) = Uвх (1+M cos Ωt)
Выходное напряжение детектора uвых (t) = UвыхcosΩt должно быть низкочастотным, пропорциональным (копией) передаваемому сообщению. Эффективность работы амплитудного детектора оценивают коэффициентом передачи (коэффициентом детектирования), представляющим собой отношение амплитуды выходного низкочастотного напряжения к амплитуде огибающей входного модулированного сигнала:
kД = Uвых/(M Uвх)
В зависимости от амплитуды АМ-сигнала и степени нелинейности характеристики детекторного элемента возможны два режима детектирования: линейный (режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией характеристики) и квадратичный (работа при малых амплитудах на участке характеристики, описываемой полиномом второй степени).
Линейный диодный детектор. При линейном режиме работы детектора амплитуды сигналов на входе и выходе связаны прямо пропорциональной зависимостью. Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно отфильтровывала полезный модулирующий сигнал и подавляла паразитные высокочастотные составляющие, необходимо выполнение двух неравенств:
1/(ΩCН)>> RН 1/(ω 0 CН)<
На рисунке 3.1,а представлена схема последовательного диодного детектора, у которого диод VD включен последовательно с низкочастотным RC-фильтром.
Рисунок 3.1 - Последовательный диодный детектор:
а - схема; б - диаграммы напряжений
Условие хорошей работы детектора - сопротивление нагрузки RН должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости. Пусть на вход диодного детектора подается простейший однотональный АМ-сигнал (рисунок 3.1,б). Ток через диод протекает в моменты времени, когда амплитуда входного напряжения превышает напряжение на конденсаторе (т.е. на выходе детектора uвых) В этом случае конденсатор заряжается через малое сопротивление открытого диода намного быстрее, чем разряжается на высокоомное сопротивление нагрузки. Поэтому диод большую часть периода входного колебания закрыт и амплитуда выходного напряжения близка к амплитуде входного. ВАХ диода можно аппроксимировать отрезками двух прямых линий (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 - Диаграммы тока и напряжения в линейном детекторе
Амплитуды входного и выходного напряжений связаны между собой следующим соотношением:
Uвых = U0= Uвхcos θ
В этом случае коэффициент передачи детектора
kД = Uвых/ Uвх = cos θ
Угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала и определяется величиной произведения где крутизна характеристики диода. Для расчета коэффициента детектирования используют следующую формулу:
Входное сопротивление последовательного детектора. В практических схемах высокочастотное модулированное колебание, подаваемое на АМ-детектор, снимается с резонансного усилителя промежуточной частоты приемника. При этом контур УПЧ шунтируется низким входным сопротивлением детектора, что приводит к уменьшению его добротности и расширению полосы пропускания усилителя (ухудшению избирательности). Входное сопротивление диодного детектора определяется по формуле:
Rвх = RН/2
Принцип действия последовательного линейного детектора можно распространить на любые типы амплитудных детекторов, имеющих ПЭ с односторонней (вентильной) проводимостью.
Квадратичный детектор. Принципы действия квадратичного и линейного детекторов отличаются. При малых амплитудах АМ-сигнала характеристика НЭ наиболее точно аппроксимируется полиномом Тейлора второй степени
i(t) = a0 + a1 uвх (t) + a2 uвх2 (t) = a0 + a1 Uвх (t) cos ω0 t + 0,5 a2 Uвх2 (t) cos 2ω0 t
На выходе АМ-детектора переменные составляющие тока с высокими частотами и отфильтровываются цепью. Передаваемая информация содержится в низкочастотной составляющей продетектированного колебания, которая имеет следующий вид:
iН (t) = 0,5a2 Uвх2 (1+0,5 M2 + 2M cos Ωt + 0,5 M2 cos 2Ω t)
Полезный эффект детектирования (передаваемое сообщение) пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала, поэтому такое детектирование называют квадратичным. Постоянная составляющая тока отфильтровывается разделительным конденсатором и выходной ток детектора определяется формулой:
iвых (t) = a2 Uвх2 M cos Ωt + 0,25 M2 Uвх2 cos 2Ω t
Полезным в этой формуле является только первое слагаемое, второе определяет нелинейные искажения передаваемого сигнала, вносимые детектором. Снизить нелинейные искажения можно путем уменьшения глубины модуляции.
Интегральные детекторы. Диодные и транзисторные амплитудные детекторы при малых входных напряжениях вносят в полезный сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в радиотехнических устройствах в основном применяют детекторы, построенные на аналоговых микросхемах - операционных усилителях, которые осуществляют одновременно и усиление выходного сигнала (рисунок 3.3, а).
Рисунок 3.3 - Детектор на ОУ:
а - схема; б, в - диаграммы на входе и выходе
Детектор выполнен по схеме инвертирующего усилителя. При поступлении положительных полуволн входного сигнала (рисунок 3.3, б) напряжение u2 на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD1 оказывается подключенным к его входу, что создает глубокую отрицательную обратную связь по напряжению. В результате напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе и близко к нулю, т. е. u2 ≈ u2 ≈ 0. Выходное напряжение детектора также будет равно нулю.
Во время поступления отрицательной полуволны входного гармонического сигнала напряжение u2 на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD1 закрыт, а диод VD2 - открыт. Напряжение на выходе операционного усилителя и выходное напряжение детектора определяются как:
uвых = u2 = -uвх R2/ R1
что соответствует закону изменения входного сигнала.
Детектирование сигналов с угловой модуляцией. При детектировании ЧМ- и ФМ-сигналов они предварительно преобразуются в колебания с неглубокой амплитудной модуляцией и затем детектируются амплитудным детектором. Подобное преобразование необходимо потому, что нелинейные элементы реагируют на изменения только амплитуды, а не частоты и фазы колебаний.
Частотный детектор. Для выделения передаваемого полезного сигнала из частотно-модулированного колебания применяют частотные детекторы. Преобразование частотной или фазовой модуляции в амплитудную можно осуществить с помощью различных линейных цепей, например, резонансного контура, амплитуда напряжения на котором зависит от частоты входных колебаний (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 - Преобразование ЧМ-сигнала в АМ-ЧМ-колебание
Пусть колебательный контур настроен на частоту ωp и на него подается однотональный ЧМ-сигнал с постоянной амплитудой и меняющейся по гармоническому закону частотой
ω(t) = ω0 + ωД cos Ω t
где ω0 - частота несущего колебания; ωД - девиация частоты.
Так как модуль полного сопротивления колебательного контура зависит от частоты, то амплитуда напряжения на нем будет изменяться во времени при отклонениях частоты ЧМ-сигнала от несущей ω0
На рисунке 3.4 показаны: зависимость амплитуды напряжения на контуре от частоты UK (ω); изменения во времени частоты ω(t) ЧМ-сигнала и амплитуды UK (t) колебания на выходе контура.
Амплитуда ЧМ-колебания на выходе резонансного контура изменяется во времени пропорционально гармоническому модулирующему сигналу, т. е. ЧМ-сигнал преобразуется в напряжение, модулированное по амплитуде. Затем такое сложное по структуре АМ-ЧМ-колебание. детектируется амплитудным детектором. Недостаток данного метода детектирования - ограниченный линейный участок на скате резонансной кривой контура.
Частотный дискриминатор. Нa рисунке 3.5 представлена упрощенная схема ЧМ-детектора (частотного дискриминатора), используемая по многих приемниках ЧМ-сигналов, а также в устройствах измерительной техники и автогенераторах гармонических колебаний для автоматической подстройки частоты.
Рисунок 3.5 - Частотный детектор
Схема ЧМ-детектора содержит резонансный усилитель-ограничитель на ОУ, к выходу которого подключены два индуктивно связанных контура, настроенные на несущую частоту ω0 и осуществляющие преобразование ЧМ-сигнала в АМ-ЧМ-колебание. Преобразованное подобным образом сложное колебание детектируется одновременно двумя идентичными АМ-детекторами, соединенными последовательно. Конденсатор Cp - разделительный, конденсатор CП - блокировочный, дроссель Lдр - преграждает путь протеканию току высокой частоты через нагрузку детектора. Принцип действия частотного детектора заключается в линейном преобразовании отклонения частоты в изменение фазового сдвига высокочастотного колебания и соответственно изменения направления вектора амплитуды с последующим амплитудным детектированием. Для пояснения его работы обратимся к векторным диаграммам (рисунок 3.6, а - в). На этих диаграммах векторы напряжений отражают разности потенциалов между точками 0, А, В и D, показанными на рисунке 3.5.
Рисунок 3.6 - Векторные диаграммы к частотному детектору: а - в отсутствие модуляции; б - частота выше резонансной; в - частота ниже резонансной
Так как контуры усилителя и амплитудных детекторов имеют индуктивную связь, то одно из напряжений U2/2 на входах диодов синфазно, а другое - противофазно выходному напряжению операционного усилителя U1 Амплитудные детекторы реагируют па амплитуду высокочастотного входного колебания, поэтому важны напряжения, поступающие на аноды диодов VD1 и VD2 (напряжения UD1 и UD2). Напряжение на аноде диода VD1 равно сумме двух напряжений: UD1 = U1+ U2/2 соответственно напряжение на аноде диода VD2: UD2 = U1 - U2/2.
В отсутствие модуляции, когда частота ЧМ-сигнала ω0 совпадает с резонансными частотами ωp контуров, напряжение U1 в контуре усилителя опережает по фазе ток на 90o. При этом напряжения U2/2 и -U2/2 на контурах амплитудных детекторов также опережают по фазе ток I1 входного контура на 90o (рисунок 3.6, а). Напряжения UD1 и UD2 на диодах амплитудных детекторов при этом равны, и выходное напряжение Uвых = 0.
При отклонении мгновенной частоты ЧМ-сигнала ω от резонансной ωp на величину Δω напряжение U1 на контуре усилителя получит по отношению к току I1, дополнительный фазовый сдвиг ±φ, знак и величина которого определяется ФЧХ параллельного контура. Векторные диаграммы напряжений на контурах на частотах ЧМ-сигнала выше и ниже резонансной приведены соответственно на рисунке 3.6, б, в. В этих случаях напряжения UD1 и UD2 не будут равны, вследствие чего на выходе ЧМ-детектора появится выходное напряжение Uвых, отражающее передаваемое сообщение.
Зависимость выходного напряжения Uвых от величины Δ ω = ω -ω0 называется детекторной характеристикой, типичный вид которой представлен на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 - Детекторная характеристика
ЧМ-детектор на интегральном аналоговом перемножителе. Большинство современных детекторов ЧМ-сигналов в радиоприемных устройствах выполняют на интегральных аналоговых перемножителях (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 - Схема ЧМ-детектора на аналоговом перемножителе
В такой схеме на входе аналогового перемножителя (ПС) включают параллельный резонансный контур, настроенный на несущую частоту, а на выходе - ФНЧ, который выделяет полезный сигнал. Пусть на вход ЧМ-детектора на аналоговом перемножителе поступает немодулированное гармоническое напряжение uвх(t)=Uвхcos ωt Аналоговый перемножитель обладает большими входными сопротивлениями, поэтому его входы практически не потребляют токи, и весь входной ток
iвх(t)=Iвхcos ωt протекает через емкость С1 и параллельный LC-контур. Поскольку напряжение на конденсаторе С1 отстает от тока по фазе на π/2 то напряжение на входе перемножителя
u1 (t) = UC cos(ωt - π/2),
где UC - амплитудное значение напряжения на конденсаторе С1.
Напряжение на выходе перемножителя
Uвых = -ka UC UK Q Δω/ω0
где UK - амплитудное значение напряжения на контуре;
Q - добротность контура;
Δω = ω -ω0 - абсолютная расстройка.
Таким образом, выходное напряжение пропорционально отклонению частоты сигнала от несушей.
Фазовый детектор. Схема фазового детектора преобразует ФМ-колебание в низкочастотное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала. Напряжение на выходе ФМ-детектора определяется разностью фаз двух сравниваемых сигналов (рисунок 3.9, а): ФМ-колебания
uФМ (t) = U ФМcos(ω0t + φ), и опорного напряжения
u0 = U0 cosω0 t, вырабатываемого генератором опорного напряжения.
Амплитуды напряжений на входах диодов можно определяются с помощью векторной диаграммы (рисунок 9, б):
Полученные сигналы затем преобразуются АМ-детекторами с коэффициентом передачи kД и на нагрузках схемы возникают два напряжения:
U1 = kД UD1
U2 = kД UD2
Результирующее напряжение на выходе фазового детектора:
Низкочастотное напряжение на выходе фазового детектора изменяется в соответствии с фазой ФМ-колебания. Амплитуду опорного напряжения в фазовых детекторах выбирают намного больше амплитуды ФМ-колебания (U0 >> UФМ). Это делается для "вывода" полезного сигнала из напряжения шумов, поскольку они могут быть соизмеримы по амплитуде и полезный сигнал может быть искажен.
На рисунке 3.9 представлена схема фазового детектора.
Рисунок 3.9 - Фазовый детектор: а-схема; б-векторная диаграмма
В интегральном исполнении широко применяют ФМ-детекторы на основе аналоговых перемножителей напряжений. В последние годы предпочтение отдается цифровым фазовым детекторам, обладающим высокой помехозащищенностью.
..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..