Модуляция и детектирование — Гипермаркет знаний. Детектирование

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены взвук.

Основные принципы радиосвязи представлены в виде блок-схемы на рисунке 7.9.

1. Для чего нужна модуляция колебаний!
2. Что называют детектированием колебаний!

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 7.17.

Поглощение электромагнитных волн. Располагают рупоры друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн. Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым.

Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу (рис. 7.18). Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его.

Преломление электромагнитных волн. Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения.Металлический лист заменяют затем призмой (рис. 7.19). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Понеречность электромагнитных волн. Электромагнитные волны являются поперечными. Это означает, что векторы и электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению ее распространения. При этом векторы и взаимно перепендикулярны. Волны с определенным направлением колебаний этих векторов называются поляризованными. На рисунке 7.1 изображена такая поляризованная волна.

Приемный рупор с детектором принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90°. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором 11 приемником решетку из параллельных металлических стержней (рис. 7.20). Решетку располагают так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.

Объединяя нелинейные элементы с соответствующими линейными частотно-избирательными звеньями, можно создавать устройства для детектирования (демодуляции) радиосигналов. Ниже будет рассмотрена теория работы важнейших видов детекторов.

Принцип детектирования АМ-сигналов.

Операция амплитудного детектирования прямо противоположна амплитудной модуляции.

Имея на входе идеального детектора АМ-колебание следует получить на выходе низкочастотный сигнал ивых пропорциональный передаваемому сообщению. Эффективность работы детектора принято оценивать коэффициентом детектирования

равным отношению амплитуды низкочастотного сигнала на выходе к «размаху» изменения амплитуды высокочастотного сигнала на входе.

Можно осуществить детектирование, подав АМ-сигнал на безынерционный нелинейный элемент и предусмотрев последующую фильтрацию низкочастотных составляющих спектра.

Рассмотрим схему так называемого коллекторного детектора, представляющего собой транзисторное устройство с нагрузкой в виде параллельной RC-цепи. Для того чтобы нагрузочная цепь выполняла роль частотного фильтра, подавляющего высокочастотные спектральные составляющие, потребуем выполнение неравенств

Это означает, что для сигнала с частотой модуляции нагрузка детектора практически резистивна и равна , в то же время модуль сопротивления нагрузки, а значит, и коэффициент передачи системы на несущей частоте пренебрежимо мал.

Пусть входное напряжение на базе транзистора

причем амплитуда достаточно велика для того, чтобы можно было воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией вольт-амперной характеристики нелинейного элемента. Положим также для простоты, что и угол отсечки тока 90° независимо от изменения во времени амплитуды входного сигнала. Процессы в коллекторном детекторе иллюстрируются графиками рис. 11.11.

Рис. 11.11. Осциллограммы токов и напряжений в коллекторном детекторе

Последовательность импульсов коллекторного тока оказывается промодулированной по амплитуде; нулевая составляющая тока медленно (с частотой ) изменяется во времени, причем

Выходное напряжение детектора

откуда коэффициент детектирования

(11.53)

Существенно, что здесь амплитуды сигналов на входе и на выходе связаны прямой пропорциональностью. Поэтому такой режим работы детектора, принято называть линейным. Его отличительная черта - отсутствие искажений передаваемого сообщения.

Квадратичное детектирование.

Рассмотрим отдельно важный для приложений случай детектирования слабых сигналов, когда вольт-амперная характеристика должна быть аппроксимирована степенной зависимостью вида

Ограничимся лишь выписанными здесь членами и предположим, что на детектор подано напряжение АМ-сигнала вместе с постоянным смещением

Подставив (11.55) в (11.54), обнаружим среди разнообразных комбинационных колебаний, присутствуюших в токе, следующую низкочастотную составляющую:

Благодаря фильтрующему действию нагрузочной -цепи выходной сигнал будет определяться именно этим током:

(11.57)

Полезный эффект детектирования пропорционален здесь величине поэтому детектирование АМ-сигналов с малыми амплитудами является квадратичным. Наличие в (11.57) слагаемого, пропорционального говорит о том, что квадратичное детектирование сопровождается искажениями передаваемого сообщения. Введя коэффициент нелинейных искажений к, равный отношению амплитуд выходных колебаний с частотами находим из (11.57), что . Нелинейные искажения оказываются весьма значительными при глубокой амплитудной модуляции на входе.

Поэтому в радиоприемных устройствах желательно, чтобы амплитуда несущего колебания АМ-сигнала, подаваемого на детектор, составляла несколько вольт. При этом реализуется режим линейного детектирования и нелинейных искажений не возникает.

Диодный детектор АМ-сигналов.

Широко используется диодный детектор, особенно пригодный для работы с сигналами большого уровня. Такой детектор образован последовательным соединением диода и параллельной RС-цепи, которая выполняет роль частотного фильтра. Параметры RС-цепи выбирают согласно условиям (11.51).

Для нормальной работы детектора необходимо, чтобы сопротивление резистора нагрузки значительно превышало сопротивление диода в прямом направлении, т. е. чтобы Пусть на вход детектора подан немодулированный гармонический сигнал Конденсатор заряжается через открытый диод гораздо быстрее, чем разряжается через высокоомный резистор нагрузки. Поэтому осциллограмма выходного сигнала представляет собой пилообразную кривую с малой относительной высотой зубцов. Средний уровень выходного напряжения близок к амплитуде входного сигнала. Таким образом, диод ббльшую часть периода оказывается запертым.

Пренебрежем указанным непостоянством выходного сигнала и будем считать, что - постоянная величина. Заметим далее, что напряжение приложено к дноду в обратном направлении и служит для него напряжением смещения Коэффициент детектирования данного устройства

может быть сделан близким к единице, поскольку а значит, угол отсечки тока достаточно мал.

Угол отсечки находят из соотношения

откуда следует трансцендентное уравнение или

При корень этого уравнения близок к нулю, так что из (11.58) вытекает формула для расчета коэффициента детектирования:

(11.59)

Пример 11.5. Диодный детектор имеет параметры: Определить коэффициент детектирования данного устройства.

Безразмерное произведение достаточно велико, поэтому можно воспользоваться формулой (11.59), которая дает

Если на вход диодного детектора поступает АМ-колебание, то при выполнении условий (11.51) выходное напряжение детектора «отслеживает» мгновенный уровень амплитуды входного сигнала.

Взаимодействие сигнала и помехи в амплитудном детекторе.

Предположим, что на входе идеального линейного детектора АМ-сигнала с известным коэффициентом детектирования присутствует сумма полезного однотонального АМ-колебания и немодулированного колебания помехи:

частоты в общем случае различны.

Выходной сигнал детектора пропорционален физической огибающей колебания Чтобы вычислить этот сигнал, воспользуемся понятием сопряженного сигнала (см. гл. 5), который, очевидно, записывается так:

(11.60)

Рассмотрим случай, когда полезный сигнал значительно слабее помехи, т. е. с 1. Будем интересоваться полезной составляющей выходного колебания, которая изменяется во времени пропорционально передаваемому сообщению Разлагая радикал, входящий в (11.60), в ряд по степеням малого параметра убеждаемся, что данная спектральная составляющая создает на выходе колебание

Видно, что с ростом амплитуды помехи происходит подавление полезного сигнала. Это явление уже обсуждалось ранее в настоящей главе.

Вредное действие помехи проявляется также в том, что на выходе детектора может возникнуть большое число комбинационных колебаний из-за нелинейного взаимодействия сигнала и помехи.

Фазовое детектирование.

Известно много схем фазовых детекторов - устройств для демодуляции колебаний с полной фазой промодулированных по фазовому углу.

Работа таких детекторов основана на нелинейном взаимодействии модулированного сигнала с немодулированным опорным колебанием, которое должно создаваться вспомогательным внешним источником.

Пусть, например, к нелинейному безынерционному двухполюснику с ВАХ вида приложена сумма двух напряжений:

Из-за квадратичного слагаемого характеристики в токе будет присутствовать составляющая, которая описывает нелинейное взаимодействие колебаний:

Второму слагаемому в последней части формулы (11.62) отвечает высокочастотный сигнал со средней частотой который без труда подавляется линейным фильтром нижних частот (например, RC-цепью). Первое слагаемое в (11.62) описывает низкочастотный ток

приближенно пропорциональный передаваемому сообщению Ф (0, если девиация фазы (индекс модуляции) детектируемого сигнала достаточно мала.

При создании фазовых детекторов неизбежны трудности, связанные с требованием жесткой стабилизации фазы колебаний опорного генератора.

Частотное детектирование.

При частотной модуляции, как известно, полезное сообщение пропорционально отклонению мгновенной частоты сигнала от частоты несущего колебания. Рассмотрим некоторые способы демодуляции ЧМ-сигналов.

Частотную модуляцию можно превратить в неглубокую амплитудную модуляцию, подавая демодулируемый сигнал на линейный частотный фильтр, настроенный таким образам, чтобы в разложении АЧХ

коэффициент был отличен от нуля. Тогда, полагая, что частота детектируемого сигнала получим на выходе фильтра сигнал со сложной амплитудноугловой модуляцией. Мгновенная амплитуда переменной составляющей этого сигнала изменяется во времени по закону

где - постоанный коэффициент, т. е. повторяет по форме передаваемое сообщение.

Окончательная обработка сигнала проводится обычным АМ-детектором, включенным на выходе фильтра.

Лучшие результаты обеспечивает способ, основанный на преобразовании ЧМ-сигнала в ФМ-сигнал при помощи линейного частотно-избирательного фильтра с последующим фазовым детектированием. При таком методе демодуляции фазочастотная характеристика избирательной узкополосной цепи (см. гл. 9) в малой окрестности частоты имеет вид

где - групповое время запаздывания.

Если то узкополосный, сигнал на выходе фильтра имеет полную фазу

т. е. действительно является ФМ-сигналом.

Детектирование представляет собой процесс, обратный модуляции. При модуляции один из параметров высокочастотного переносчика изменяется пропорционально первичному сигналу. Детектирование заключается в восстановлении того первичного сигнала, которым производилась модуляция. Детектирование считается неискаженным, если напряжение на выходе детектора повторяет закон изменения параметра модулированного колебания (амплитуды в случае AM, частоты в случае ЧМ, фазы в случае ФМ).

Поскольку в спектре модулированного колебания содержатся только высокочастотные компоненты (несущая и боковые частоты), а результатом детектирования является получение низкочастотных колебаний, линейные цепи для детектирования непригодны. В большинстве случаев детекторы являются устройствами нелинейными, реже - параметрическими.

На рис. 3.41 приведена обобщенная схема детектора, состоящая из двух элементов: а) нелинейного (НП) или параметрического (ПП) преобразователя, в выходном токе которого при воздействии на вход гармонического напряжения появляется постоянная составляющая фильтра нижних частот предотвращающего прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Требование к преобразователям: величина должна зависеть в детекторе AM сигналов от в детекторе ЧМ сигналов от , в детекторе ФМ сигналов от

При подаче на вход модулированного колебания, один из параметров которого меняется с низкой частотой, постоянная составляющая тока на выходе соответствующего детектора также будет изменяться с низкой частотой, и это колебание после ФНЧ выделится на выходе детектора. Для неискаженного детектирования необходимо, чтобы компонента тока изменялась пропорционально модулируемому параметру или ). В связи

с этим важнейшими характеристиками детекторов являются характеристики детектирования, под которыми подразумеваются зависимости от в амплитудных, от в частотных и от в фазовых детекторах.

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ AM КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ

На рис. показано графическое определение тока, протекающего через диод при воздействии на него AM напряжения

Поскольку диод обладает односторонней проводимостью, ток имеет характер импульсов длительностью в половину периода частоты амплитуда которых изменяется при изменении огибающей входного напряжения. В получившейся последовательности импульсов тока содержится уже и низкочастотная составляющая частоты .

Действительно, импульсы тока различаются главным образом амплитудой Зависимость можно рассматривать как результат модуляции импульсов тока, записанных в виде ряда Фурье колебанием низкой частоты

Таким образом, ток содержит постоянную составляющую и компоненты высокой частоты и ее гармоник, каждая из которых модулирована низкочастотным сигналом.

На рис. 3.42в штрихпунктирная линия изображает зависимость постоянной составляющей тока от времени определяемой как среднее значение тока за период высокой частоты :

Для выделения низкочастотного сигнала последовательно с нелинейным элементом включают такую цепь RC (рис. 3.43), чтобы

Здесь емкость С выполняет роль ФНЧ: в силу (3.90) высокочастотные компоненты тока напряжения на выходе почти не создают. Для того чтобы низкочастотные компоненты тока создавали большое выходное напряжение, сопротивление должно быть достаточно большим и притом с тем, чтобы для низких частот сопротивление нагрузочной цепи Объединяя эти неравенства, получаем условия, определяющие выбор емкости С:

График рис. 3.42 г показывает форму выходного напряжения.

На рис. 3.44 а и б представлены спектры напряжения (3.87) и тока (3.88). Пунктирная линия на рис. 3.446 изображает зависимость при условии (3.91). Перемножая амплитуды спектральных компонент на соответствующие величины получаем спектр выходного напряжения (рис. 3.44в).

Переходя к более подробному рассмотрению процесса детектирования, отметим, что сопротивление нагрузки обычно выбирается настолько большим, что учет его влияния на ток оказывается необходимым.

Пусть на детектор в схеме рис. 3.43 действует синусоидальное напряжение частоты

Напряжение на диоде Вследствие наличия цепочки RC, оно отличается от напряжения (3.92) на величину постоянного смещения На рис. 3.45 показано определение

тока с учетом влияния для кусочно-линейной аппроксимации характеристики диода. При больших диод работает с небольшими углами отсечки 0, т. е. ток через диод протекает только в течение небольшой части периода, соответствующей заштрихованной части входного сигнала. Так как сопротивление открытого диода мало, в это время происходит быстрый заряд конденсатора С, сопровождающийся возрастанием напряжения на нем.

Когда оказывается меньшим диод запирается, - входное напряжение перестает влиять на процессы в RC-цепи, конденсатор С разряжается через большое сопротивление Согласно (3.90) постоянная времени разряда или траз Поэтому за ту часть периода Т, пока конденсатор разряжается, напряжение уменьшается незначительно. Характер изменения по времени и тока протекающего через диод, показан на рис. 3.46. Пренебрегая пульсацией напряжения будем в дальнейшем считать его при воздействии сигнала (3.92) постоянным и равным (штрих-пунктирная на рис. 3.46) Это позволяет записать напряжение на диоде как Определим угол отсечки 0 как значение при котором

Согласно (3.31) при кусочно-линейной характеристике диода

(рис. 3.45) . Подставляя это выражение в (3.93), получаем уравнение, определяющее 0:

Амплитуда в (3.94) не входит. Следовательно, угол отсечки 0 не зависит от амплитуды входного сигнала, а определяется исключительно параметрами схемы Поэтому согласно данный детектор обладает линейной характеристикой детектирования, и детектирование в нем происходит без искажений. Детектор с линейной характеристикой детектирования называется линейным детектором. Диодный детектор является линейным в случае достаточно больших амплитуд входного сигнала, когда пригодна кусочно-линейная аппроксимация его характери-, стики. При этом следует помнить, что линейный детектор является устройством нелинейным, работающим с отсечкой тока.

Методы детектирования и характеристики детекторов

Детектирование — процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания или сигнала.

Детектирование может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме сигналов.

При когерентном приеме, при детектировании, используются данные о начальной фазе сигнала.

При некогерентном приеме, при детектировании, не используются данные о начальной фазе сигнала.

Детектирование осуществляется в устройствах — детекторах. Условное графическое обозначение детектора имеет вид:

Рисунок 38 - Условное графическое обозначение детектора: а) при когерентном приеме, б) при некогерентном приеме

Характеристиками детектора являются: детекторная, частотная характеристики и коэффициент передачи.

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. При АМ информационным параметром является амплитуда, при ЧМ частота, при ФМ фаза.

Идеальная характеристика является линейной проходя через начало координат под углом a к оси абсцисс (рисунок 39). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 39 - Детекторная характеристика детектора

Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения Um u детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Um u на всех частотах (рисунок 40). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Рисунок 40 - Частотная характеристика детектора

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um u к амплитуде приращения информационного параметра несущей

Кд = Um u / ?Um . (27)

Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики:

Кд = ktg ? (28)

где k — масштабный коэффициент пропорциональности.

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Некогерентный амплитудный детектор на диоде

Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора представлена на рисунке 41. В состав детектора включен нелинейный элемент — диод VD. Необходимость нелинейного элемента вызвана тем, что процесс детектирования связан с трансформацией спектра сигнала. Диаграммы поясняющие принцип работы модулятора представлены на рисунке 42.

Рисунок 41 - Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора на диоде

На диод поступает АМ сигнал S АМ (t), в спектре которого имеются составляющая несущего сигнала и боковые составляющие (рисунок 42, а). В спектре отклика диода u д (t) появляются новые составляющие: постоянная, составляющая модулирующего сигнала и высшие гармоники модулированного сигнала (рисунок 42, б). Элементы R1 C1 образуют фильтр низких частот, который шунтирует высокочастотные составляющие спектра отклика и тем самым выделяют составляющую модулирующего сигнала и постоянную составляющую u ФНЧ (t) (рисунок 42, в). Разделительный конденсатор C2 задерживает постоянную составляющую спектра и в спектре выходного сигнала присутствует только составляющая модулирующего сигнала u(t) (рисунок 42, г).

Эффективное подавление высокочастотных составляющих фильтром низких частот детектора возможно при выполнении условия

Рисунок 42 - Процесс детектирования АМ сигналов

1/ ? 0 С 1 << R 1 << 1/ ? C 1 (29)

где С 1 и R 1 элементы ФНЧ.

При детектировании разделяют два режима: квадратичный и линейный.

При квадратичном режиме для детектирования сигналов используется нелинейный участок ВАХ диода, который аппроксимируется полиномом второй степени (рисунок 43). При данном режиме могут использоваться входные сигналы небольшой амплитуды, но при этом возникают большие нелинейные искажения сигнала.

Рисунок 43 - Режимы детектирования

При линейном режиме используется линейный участок ВАХ диода. При этом режиме входные сигналы должны иметь достаточно большую амплитуду, но при этом нелинейные искажения сигнала отсутствуют.

Недостатком данного детектора является изменение отношения сигнал-помеха на выходе модулятора, что может привести к подавлению слабого сигнала сильной помехой. Поэтому при использовании данного детектора необходимо сначала подавлять помехи, а потом детектировать сигнал, т. е. применять додетекторную обработку сигнала.

Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется по выражению:

где R1 — сопротивление ФНЧ детектора;

Sср — средняя крутизна ВАХ диода.

Синхронное детектирование

Синхронное детектирование — это детектирование, при котором используется опорное колебание с частотой и фазой соответствующими частоте и фазе несущего колебания.

Структурная электрическая схема синхронного детектора представлена на рисунке 44.

Рисунок 44 - Структурная электрическая схема синхронного детектора

На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал S АМ (t) и опорное колебание от генератора u г (t):

S АМ (t) = Um(1 + m АМ u(t)) cos (w 0 t + ? 0 );

u г (t) = Um г cos (w 0 t + ? 0 ).

На выходе модулятора формируется сигнал u 1 (t)

u 1 (t ) = S АМ (t ) ? u г (t ) = Um (1 + m АМ u (t )) cos (w 0 t + j 0 ) ?

? Um г cos (w 0 t + ? 0 ) = 0,5 Um Um г (1 + m АМ u (t )) ?

? (1 + cos (2 w 0 t + 2 ? 0 )) (31)

ФНЧ на выходе модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала:

u вых (t ) = 0,5 Um Um г m АМ u (t ) (32)

Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор.

Свойством и основным достоинством синхронного детектора является сохранение отношения сигнал-помеха на выходе детектора. Это объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала и соотношений между составляющими спектра. Это свойство детектора позволяет применять последетекторную обработку сигнала.

Синхронный детектор позволяет также детектировать балансно-модулированные и однополосно-модулированные сигналы. Однако в данном случае возникают трудности с получением информации о частоте и фазе несущего колебания, т. к. составляющая несущего колебания в спектре этих сигналов отсутствует. Поэтому для детектирования этих сигналов применяют два технических решения:

при детектировании используют пилот-сигнал , который представляет собой остаток несущего колебания и передается вместе с сигналом, а на приеме выделяется системой ФАПЧ;
при детектировании на приемной стороне используется высокостабильный опорный генератор который вообще не синхронизируется. Для детектирования используется местная несущая отличающаяся от передаваемой на??. При этом возникает сдвиг частот в канале связи (рисунок 45). Если этот сдвиг не превышает 10 Гц для телефонного сигнала, то получатель его не ощущает. Отсюда следуют жесткие требования к стабильности генераторного оборудования систем связи с ОМ.

Рисунок 45 - Процесс сдвига частот в канале связи

Детектирование частотно-модулированных сигналов

Детектирование ЧМ сигналов может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме. Рассмотрим детектирование ЧМ сигналов при некогерентном приеме. В этом случае детектирование осуществляется в два этапа:

преобразование частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал (АЧМ);
детектирование АЧМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная электрическая схема однотактного частотного детектора представлена на рисунке 46.

Рисунок 46 - Принципиальная электрическая схема однотактного частотного детектора

В данном детекторе в качестве преобразователя ЧМ сигнала в АЧМ осуществляется с помощью колебательного контура L1 C1. Контур расстроен относительно несущей частоты, т. е. его резонансная частота не равна частоте несущего сигнала (рисунок 47).

При увеличении частоты ЧМ сигнала, она приближается к резонансной частоте контура? рез и амплитуда колебания u К (t) возрастает. При уменьшении частоты ЧМ сигнала, она удаляется от резонансной частоты контура и амплитуда u К (t) уменьшается. Таким образом, на выходе контура колебание представляет собой модулированный сигнал, у которого изменяется и частота амплитуда и частота (АЧМ сигнал). Затем данный сигнал детектируется амплитудным детектором.

Рисунок 47 - Временные диаграммы частотного детектора

Детекторная характеристика данного детектора представлена на рисунке 48. Данная характеристика является нелинейной, а следовательно, при детектировании данным детектором модулирующий сигнал имеет нелинейные искажения.

Рисунок 48 - Детекторная характеристика однотактного частотного детектора

Для устранения нелинейных искажений используют балансную (двухтактную) схему частотного детектора (рисунок 49). В этом детекторе оба колебательных контура взаимно расстроены относительно несущей частоты и имеют различные резонансные частоты? рез1 и? рез2 , характеристики контуров представлены на рисунке 50.

Рисунок 49 - Принципиальная электрическая схема балансного частотного детектора

Рисунок 50 - Частотная зависимость колебательных контуров балансного детектора

В результате получаем характеристику в, в которой имеется линейный участок между резонансными частотами? рез1 и? рез2 , который и используется для детектирования. Детекторная характеристика детектора балансного детектора представлена на рисунке 51.

Рисунок 51- Детекторная характеристика балансного частотного детектора

Детектирование фазо-модулированных сигналов

Детектирование ФМ сигналов осуществляется при когерентном приеме. Детектирование этих сигналов осуществляется в два этапа:

преобразование ФМ сигнала в амплитудно-фазо-модулированный сигнал (АФМ);
детектирование АФМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная электрическая схема однотактного фазового детектора представлена на рисунке 52.

Рисунок 52 - Принципиальная электрическая схема однотактного фазового детектора

Он представляет собой амплитудный детектор, в котором используется опорное колебание. Преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал осуществляется диодом VD. На диод подается два напряжения: опорное колебание u оп (t) с фазой? = 0 и ФМ сигнал u фм (t). Напряжение диода определяется суммой этих напряжений:

u д (t ) = u оп (t )+ u фм (t ) (33)

Формирование напряжения на диоде поясняется векторной диаграммой (рисунок 53). Допустим, в некоторый момент времени ФМ сигнал имеет значение фазы? фм1 соответствующее наклону вектора u фм1 , тогда напряжение на диоде будет соответствовать вектору u д1 . В следующий момент времени фаза ФМ сигнала изменится, и будет соответствовать углу наклона? фм2 вектора u фм2 (при этом длина вектора соответствует длине вектора u д1 , т. к. амплитуда ФМ сигнала не изменяется).Напряжение на диоде в этот момент времени соответствует вектору u д2 . Как видно из диаграммы, вектора u д1 и u д2 имеют различную длину, а соответственно и амплитуду.

Рисунок 53 - Формирование напряжений на диоде

Таким образом, на диоде происходит преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал. Одновременно с этим преобразованием диод осуществляет трансформацию спектра АФМ сигнала, и дальнейшее детектирование осуществляется аналогично детектированию однотактным амплитудным детектором. Детекторная характеристика однотактного фазового детектора представлена на рисунке 54. Как видно эта характеристика имеет нелинейный характер, что приводит к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 54 - Детекторная характеристика однотактного фазового детектора

Для уменьшения нелинейных искажений применяют балансный (двухтактный) фазовый модулятор (рисунок 55).

Рисунок 55 - Принципиальная электрическая схема балансного фазового детектора

Данный детектор состоит из двух однотактных фазовых детекторов. Опорное напряжение u оп (t) подводится между средней точкой вторичной обмотки трансформатора (Т) и точками соединения резисторов R1 R2 и конденсаторов С1 С2. Напряжение ФМ сигнала u фм (t) подается через первичную обмотку трансформатора. Пусть в некоторый момент времени на вход детектора поступает сигнал u фм (t) с фазой?(t) и полярностью напряжений соответствующей указанной на рисунке. В этом случае напряжение на диодах будет определяться:

u д1 = u оп + 0,5 u фм ;

u д2 = u оп — 0,5 u фм . (34)

При этом векторная диаграмма будет иметь вид (рисунок 56). Как видно из диаграммы, напряжение входного сигнала на каждом из диодов составляет половину от входного напряжения детектора u фм и эти напряжения противоположны по фазе. Напряжение на диодах определяется векторами u д1 и u д2 . Как следует из диаграммы u д1 > u д2 . Выходное напряжение каждого из однотактных детекторов будет определяться:

u вых1 (t ) = К д Um д1 ;

u вых2 (t ) = К д Um д2 (35)

где К д — коэффициент передачи детектора.

Рисунок 56 - Формирование напряжений на диодах балансного фазового детектора

Поскольку эти напряжения противоположны, то выходное напряжения балансного детектора определяется:

u вых (t ) = u вых1 (t ) — u вых2 (t ) = К д (Um д1 — Um д2 ) (36)

Детекторная характеристика балансного детектора представлена на рисунке 57.

Рисунок 57 - Детекторная характеристика балансного фазового детектора

Как видно из характеристики при?(t) = 90° и?(t) = 180° выходное напряжение равно нулю, т. к. Um д1 = Um д2 и u вых1 (t) = u вых2 (t). Вблизи указанных углов характеристика имеет линейные участки, использование которых при детектировании позволяет исключить нелинейные искажения модулирующего сигнала.

Детектирование манипулированных сигналов

Детектирование амплитудно-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов может осуществляется рассмотренным выше амплитудным детектором на диоде (рисунок 39).

Детектирование частотно-манипулированных сигналов.

Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов и диаграммы, поясняющие его работу приведены на рисунках 58 и 59.

Рисунок 58 - Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов

На вход детектора поступает ЧМн сигнал (рисунок 59, а). Это сигнал поступает на полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2, каждый из ПФ выделяет свою полосу частот (рисунок 59, б, в). Полученные сигналы детектируются амплитудными детекторами АД1 и АД2 (рисунок 59, г, д). Полученные сигналы поступают в вычитающее устройство, причем сигнал u АД2 (t) поступает в негативной полярности. В вычитающем устройстве происходит формирование выходного сигнала (рисунок 59, е):

u вых (t) = u АД1 (t) — u АД2 (t) (37)

Рисунок 59 - Процесс детектирования ЧМ сигналов

Детектирование фазо-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов осуществляется при когерентном приеме. Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов представлена на рисунке 60.

Рисунок 60 - Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов

На вход полосового фильтра подается входное колебание Z(t). ПФ производит додетекторную обработку сигнала, т. е. ограничивает уровень помех на входе приемника. ФМн сигнал с выхода ПФ поступает в фазовый детектор ФД, на второй вход которого поступает опорное колебание от генератора. Подстройка частоты и фазы опорных колебаний осуществляется системой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ. Частота и фаза опорных колебаний должна совпадать с частотой и фазой одного из сигналов S 1 (t) или S 2 (t). Сигнал, полученный на выходе ФД поступает в решающее устройство, которое определяет какой сигнал принят u 1 или u 2 . Определение сигнала осуществляется путем сравнения амплитуды дискретного элемента поступающего с ФД с нулевым уровнем, который снимается с корпуса: если амплитуда дискретного элемента поступающего с ФД больше нуля, то принят элемент положительной полярности u 2 («1»), если меньше нуля, то принят элемент отрицательной полярности u 1 («0»).

Основным недостатком данной схемы и соответственно системы с ФМн является необходимость передачи вместе с информационным сигналом сигнала фазовой синхронизации , что приводит к дополнительным затратам мощности и, соответственно, снижению эффективности ФМн. Необходимость передачи сигналов синхронизации связана с тем, что фаза колебаний опорного генератора должна с высокой точностью совпадать с фазой одного из сигналов S 1 или S 2 . Использование для целей фазовой синхронизации входного сигнала Z(t) приводит к эффекту обратной работы . Обратная работа заключается в замене, пи детектировании, сигнала u 1 сигналом u 2 и наоборот. Обратная работа возникает тогда, когда фаза опорных колебаний генератора меняется на противоположную. Это возникает из-за того, что при равновероятных сигнала S 1 и S 2 , отличающихся друг от друга по фазе на 180°, на приеме нет ни каких признаков по которым можно определить, фаза какого сигнала была принята в качестве опорного. Генератор, подстраиваемый системой ФАПЧ, может генерировать колебания с двумя устойчивыми состояниями фазы 0 или 180°. В канале связи под воздействием помех фаза сигнала используемого для синхронизации изменяется. Если она не соответствует 0 или 180°, то генератор подстраивается под ближайшую фазу, т. е. если фаза изменяется менее чем на 90°, то генератор будет подстраиваться под верную фазу сигнала (обратная работа отсутствует), если более чем на 90°, то генератор подстраивается под противоположную фазу и возникает обратная работа. Из вышесказанного можно сделать вывод, что источником обратной работы в приемнике является генератор с ФАПЧ.

Детектирование относительно-фазо-модулированных сигналов.

Детектирование ОФМн сигналов может осуществляться двумя методами: методом сравнения фаз (обеспечивает некогерентный прием) и метод сравнения полярностей (обеспечивает когерентный прием).

При методе сравнения фаз источники обратной работы генератор и ФАПЧ заменяются линией задержки, которая осуществляет задержку сигнала на длительность одного дискретного элемента (рисунок 61). В фазовом детекторе осуществляется сравнение фаз принятого сигнала и предыдущего. Формирование выходного сигнала РУ осуществляется также как и в приемнике ФМн сигналов. Поскольку в данной схеме в качестве опорного колебания используется принятый сигнал, то появление обратной работы исключено.

Рисунок 61 - Структурная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения фаз

При методе сравнения полярностей приемник состоит из двух частей: приемника ФМн сигналов и относительного декодера (рисунок 62). При детектировании сигналов в приемнике ФМн сигналов возникает обратная работа. Сигнал с выхода приемника поступает в сравнивающее устройство СУ относительного декодера. На второй вход СУ поступает предыдущий выходной сигнал приемника. Задержку сигнала на один дискретный элемент осуществляет линия задержки. В СУ происходит сравнение полярностей двух элементов и формируется выходной сигнал. Формирование дискретного элемента выходного сигнала осуществляется по правилу: если полярности обоих сигналов совпадают, то формируется сигнал положительной полярности u 2 («1»), если полярности не совпадают, то сигнал отрицательной полярности u 1 («0»). Так как обратная работа изменяет полярность как текущей, так и предыдущей посылок, то она на работе СУ не сказывается.

Рисунок 62 - Функциональная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения полярностей

Детектирование импульсно-модулированных сигналов

Особенностью ИМ сигналов является наличие в их спектре низкочастотных составляющих модулирующего сигнала. Поэтому для детектирования данных сигналов нелинейный элемент не используется. Детектирование осуществляется фильтром, с помощью которого выделяются составляющие модулирующего сигнала. Для этого граничные частоты фильтра должны быть равны наименьшей Fmin и наибольшей Fmax частоте спектра модулирующего сигнала. Детектирование первичных (низкочастотных) сигналов осуществляется ФНЧ.

А) Детектирование АИМ сигналов . Если скважность импульсов АИМ сигнала велика q>>1, то детектирование осуществляется пиковым детектором.

Пиковым детектором — называется амплитудный детектор, выходное напряжение которого пропорционально амплитуде импульсов и сохраняется приблизительно постоянным на интервале периода следования импульсов Т.

В спектре ФИМ сигналов уровень составляющих частоты модуляции незначителен, а также он зависит от частоты модуляции. Поэтому непосредственно ФИМ сигналы детектировать ФНЧ нельзя. Предварительно эти сигналы преобразуются в ШИМ или ЧИМ сигналы, а затем детектируются ФНЧ. Однако, для преобразования ФИМ сигнала необходимо вместе с ним передавать синхронизирующие тактовые импульсы, а это усложняет схему детектора.

Для увеличения помехоустойчивости в приемнике принятые импульсно модулированные сигналы подвергают регенерации.

Регенерация — процесс восстановление формы импульсов.

На рисунке 63 представлены временные диаграммы, поясняющие регенерацию импульсно модулированного сигнала. На рисунке 63, а представлен передаваемый импульсно-модулированный сигнал Sм пер (t). На рисунке 63, б представлен принятый сигнал Z пр (t). Форма этого сигнала искажена вследствие воздействия флуктуационных и импульсных помех в канале связи. Регенерация осуществляется путем ограничения амплитуды импульсов по максимуму и минимуму на уровне близком к половине пикового значения импульсов (рисунок 63, в). При регенерации возможно искажение принятого сигнала вызванное большой амплитудой импульсной помехи, однако, большая часть помех подавляется.

Поскольку при регенерации осуществляется ограничение амплитуды импульсов, то регенерации не могут подвергаться АИМ сигналы, т. к. амплитуда этих сигналов является информационным параметром.

Рисунок 63 - Регенерация импульсно-модулированных сигналов

8.4.1. Общие сведения о детектировании

Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочастотного модулированного колебания в напряжение (или ток), которое изменяется по закону модуляции. Этот процесс реализуют устройства, называемые детекторами.

Детектор формирует на выходе сигнал, закон изменения которого повторяет закон изменения передаваемого модулированным колебанием сообщения. В зависимости от вида модуляции, которая используется передающим устройством (амплитудная, частотная или фазовая), в приемном устройстве выполняется амплитудное, частотное или фазовое детектирование. Детектор реализует процесс, обратный процессу модуляции. Поэтому его называют иногда демодулятором.

Функциональное предназначение детектора свидетельствует, что он осуществляет спектральное преобразование входного сигнала. Сущность этого преобразования заключается в том, что входной модулированный сигнал с узкополосным спектром в области высоких частот преобразуется в выходной модулирующий сигнал со спектром в области низких частот. Поэтому процесс детектирования при любом виде модуляции можно реализовать только с помощью нелинейных или параметрических цепей.

Структура детектора в случае использования нелинейного элемента представлена на рис. 8.11

, при амплитудной модуляции;

, при фазовой модуляции;

, при частотной модуляции,

Коэффициенты пропорциональности.

Рис. 8.11. Структурная схема детектора

Нелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет необходимые составляющие спектра модулирующего сигнала.

8.4.2. Амплитудный детектор

Амплитудный детектор формирует сигнал, совпадающий по форме с огибающей входного амплитудно-модулированного колебания. Процесс детектирования будем рассматривать для АМ-сигнала с тональной модуляцией, т.е. для входного сигнала вида

Выходной сигнал детектора должен быть равен

Практическая схема амплитудного детектора приведена на рис. 8.12,а.

Рис. 8.12. Функциональная схема амплитудного детектора и ВАХ диода

В качестве нелинейного элемента используется диод, характеристика которого (рис. 8.12,б) имеет нелинейный (ОА) и линейный (АВ) участки. Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные емкость и сопротивление нагрузки детектора. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики фильтра рассмотрены в п. 5.4.

Физические явления в схеме амплитудного детектора поясним, пользуясь схемой детектора (рис. 8.12,а), графиками входного и выходного напряжений (рис. 8.13,а).

Рис. 8.13. Входное и выходное напряжения детектора

Входное напряжение приложено к аноду диода. Напряжение на конденсаторе, которое по существу является выходным напряжением, приложено к катоду диода. Через диод протекает ток в том случае, если напряжение на аноде больше, чем напряжение на катоде.

В интервале времени, когда текущее значение напряжения на входе больше, чем напряжение на конденсаторе (от точки до точки , см. рис.8.13,а), диод открыт, через него протекает ток и конденсатор заряжается этим током (с небольшим отставанием от роста входного напряжения).

В интервале времени, когда текущее значение становится меньше напряжения на конденсаторе (точка , см. рис.8.13,а), потенциал анода диода становится меньше потенциала катода, что приводит к закрытию диода. Конденсатор начинает медленно разряжаться через большое сопротивление фильтра. Процесс разряда продолжается в течение всего времени закрытия диода (до точки ), при этом напряжение на конденсаторе, а значит, и на выходе детектора уменьшается. Начиная с точки , процесс повторяется.

Внутреннее сопротивление открытого диода значительно меньше сопротивления фильтра. Поэтому заряд конденсатора происходит быстрее, чем разряд, и конденсатор заряжается в каждом полупериоде входного напряжения почти до его амплитудного значения. Следовательно, напряжение на конденсаторе, а значит, и выходное напряжение повторяет по форме огибающую входного сигнала с определенным уровнем пульсаций.

Величина пульсаций определяется качеством фильтрации и зависит от постоянной времени фильтра , т.е. от времени заряда и разряда конденсатора. Для того чтобы детектирование осуществлялось с минимальными искажениями, требуется соблюдение определенного условия, связывающего постоянную времени фильтра с периодом несущего колебания и периодом модулирующего сигнала. Это условие имеет вид . При несоблюдении хотя бы одного из этих неравенств напряжение на конденсаторе не совпадает по форме с огибающей входного сигнала (рис. 8.13,б)

В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики нелинейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (режим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов). В первом режиме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени. Во втором режиме работа детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию.

а. Квадратичное детектирование

При малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора происходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (рис. 8.14,а), которая с достаточной для практики точностью аппроксимируется полиномом второй степени .

Рис. 8.14. Квадратичное (а) и линейное (б) детектирование

Если на вход детектора в этом режиме поступает амплитудно-модулированный сигнал вида , то ток нелинейного элемента равен

Высокочастотные составляющие с частотами и не проходят через низкочастотный фильтр на выходе детектора. Полезная информация содержится в низкочастотной составляющей, равной . Пропорциональность данной составляющей квадрату огибающей амплитудно-модулированного сигнала определило название детектора в этом режиме – квадратичный детектор.

Для АМ-сигнала с тональной модуляцией низкочастотная составляющая спектра тока будет равна.

В полученном выражении спектральные составляющие расположены в порядке возрастания их частот. Среди них имеется составляющая с частотой , которая должна быть выделена низкочастотным фильтром.

Для выделения этой составляющей низкочастотный фильтр должен быть узкополосным. Если же модуляция не тональная, и частота модулирующего сигнала изменяется в пределах от до , то фильтр должен иметь полосу пропускания , т.е. быть полосовым низкочастотным фильтром.

Постоянная составляющая тока отфильтровывается с помощью разделительного конденсатора, включаемого последовательно в цепь после детектора. Составляющая с частотой обусловливает нелинейные искажения полезного сигнала, которые тем больше, чем больше коэффициент модуляции и меньше постоянная времени фильтра.

Степень нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений, который определяется выражением

где – амплитуды гармонических составляющих тока нелинейного элемента.

В рассматриваемом случае .

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений квадратичного детектора при детектировании АМ-сигнала с тональной модуляцией зависит от коэффициента модуляции . Для малых коэффициент нелинейных искажений невелик, для он может достичь величины 0,25, что представляет собой значительную величину. Уменьшение глубины модуляции с целью снижения искажений не выгодно с энергетической точки зрения.

При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектр тока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низкочастотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтром низкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал детектора при работе в режиме слабых сигналов пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала. Именно поэтому, а также из-за значительных нелинейных искажений избегают такого режима детектирования в приемных трактах, применяя усиление до детектора.

В случае необходимости детектирования слабых сигналов применяют детекторы, построенные на основе операционных усилителей (ОУ).

Такие детекторы (рис. 8.15,а) выполняют операции детектирования и усиления. Операционный усилитель инвертирует и усиливает входное напряжение. Поэтому во время положительных полупериодов диод открыт, а диод закрыт. Благодаря этому, напряжение , а выходное напряжение усилителя отсутствует, т.е. . Во время отрицательных полупериодов диод закрыт, а диод открыт. При этом выходное напряжение усилителя равно . Оно представляет собой инвертированные и усиленные отрицательные полупериоды входного напряжения (рис. 8.15,б).

Рис. 8.15. Амплитудный детектор на ОУ

Если на вход детектора поступает напряжение АМ-сигнала, то в спектре имеются низкочастотные составляющие, которые обеспечивают формирование на выходе низкочастотного фильтра сигнал , по форме совпадающий с модулирующим сигналом.

б. Линейное детектирование

Нелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могут быть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейной части характеристики диода. При этом принципиальная схема линейного детектора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитуда входного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочий участок располагался на линейном участке характеристики нелинейного элемента (см. рис. 8.14,б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода.