Конспект ТЭС 2 сем

модулирующей функции от 0 к 1 и обратном переходе. На временной диаграмме звёздочкой отмечены моменты времени, где должна меняться фаза при ОФМ (график 1) и где она меняется, если на ФМ подать управляющий сигнал с выхода относительного декодера (график 3). Они совпадают.

При подаче сигнала с относительного кодера на фазовый модулятор необходимо учитывать, какой модулирующий сигнал (однополярный или двухполярный), требуется для ФМ. В необходимых случаях ставится согласующее устройство.

Рисунок 19.2 – Относительный кодер:

а) функциональная схема; б) временные диаграммы, поясняющие работу.

20 НЕКОГЕРЕНТНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ СИГНАЛОВ

20.1 Общие сведения

Детектирование – процесс восстановления модулирующего сигнала из модулированного высокочастотного колебания.

Детектирование, при котором учитывается начальная фаза принимаемого модулированного сигнала, называется когерентным; не учитывается – некогерентным.

Амплитудный детектор (АД) – устройство, с помощью которого детектируется АМ сигнал.

Поскольку спектр модулированного сигнала содержит только высокочастотные компоненты, и в нем отсутствуют низкочастотные спектральные составляющие модулирующего сигнала, то линейные цепи для детектирования непригодны (они не изменяют спектральный состав сигнала). В большинстве случаев детекторы представляют собой нелинейные цепи.

sAM	i	uвых
НЭ		ФНЧ

Рисунок 1 – Структурная схема некогерентного АД.

Детектор состоит из двух элементов: НЭ и ФНЧ. НЭ преобразует спектр входного модулированного сигнала так, что в спектре выходного тока появляются составляющие модулирующего сигнала. ФНЧ выделяет эти составляющие и предотвращает прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

61

0вых

Простой и широко распространенной является схема диодного АД.

Рисунок 2 – Принципиальная схема диодного АД.

В качестве НЭ используется диод. Диод может работать в двух различных режимах: без отсечки тока (на него подается входное воздействие малой амплитуды – не более 100…300 мВ) и с отсечкой тока (на него подается входное воздействие большой амплитуды – более 500…1000 мВ). Детектор, работающий в режиме малого сигнала, называется квадратичным, поскольку начальный участок ВАХ диода хорошо аппроксимируется полиномом второй степени. Детектор, работающий в режиме сильного сигнала, называется линейным, поскольку основным рабочим участком ВАХ диода является линейный.

Это подтверждается характеристикой детектирования, которая представляет собой зависимость постоянного напряжения на нагрузке детектора U от ампли-

туды немодулированного высокочастотного сигнала U m .

Квадратичный

детектор

Линейный

детектор

Рисунок 3 – Характеристика детектирования диодного АД.

В качестве ФНЧ, который является нагрузкой детектора, обычно служит параллельная цепочка RнCн , значения элементов которой подбираются так, чтобы сопро-

тивление резистора было значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для токов высокой частоты и значительно меньше его для токов низкой частоты:

ω1C << Rн << Ω1C .

н

Тогда выходное напряжение детектора uвых (t) будет создаваться только низко-

частотными составляющими тока, а высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованы. Чтобы убрать постоянную составляющую U0вых , содержащуюся в

напряжении uвых (t) , сигнал на следующие за детектором элементы подают через разделительный конденсатор C р . В результате получается напряжение u'вых (t) без по-

стоянной составляющей.

20.2 Квадратичный диодный АД

Характеристику диода можно представить в виде: i = a0 + a1u + a2u2 .

62

Подставим в приведенную зависимость выражение модулированного сигнала sAM (t) =U m (1+ m cosΩt)cosωнt :

i = a0 + a1U m (1+ m cosΩt)cosωнt + a2U m 2 (1+ m cosΩt)2 cos2 ωнt = a0 + a1U m (1+ m cosΩt)cosωнt +

+ a2U m 2 (1+ 2m cosΩt + m2 / 2 + m2 / 2cos(2Ωt))(1/ 2 +1/ 2cos(2ωнt)) = a0 + a1U m (1+ m cosΩt) ×

×cosωнt + a2U m 2 (1/ 2 +1/ 2cos(2ωнt) + m cosΩt + m cos(2ωнt)cosΩt + m2 / 4 + m2 / 4cos(2ωнt) + m2 / 4cos(2Ωt) + m2 / 4cos(2ωнt)cos(2Ωt).

Рисунок 4 – Спектр АМ сигнала на входе детектора и тока диода. Низкочастотная переменная составляющая тока диода содержит два слагаемых:

полезное, воспроизводящее передаваемый сигнал (с частотой Ω), и вредное, которое появилось вследствие квадратичного характера детектирования (с частотой 2Ω). Следовательно, возникают нелинейные искажения выходного сигнала. При детектировании сигнала, модулированного спектром частот, в детекторе также возникают комбинационные частоты, что еще больше увеличивает искажения сигнала.

Квадратичное детектирование находит ограниченное применение (в измерительной технике).

Представим ВАХ диода в виде линейно-ломаной. Под действием входного напряжение ток в цепи диода представляет собой импульсы, следующие с частотой несущей ωн . До момента времени t1 модуляция отсутствует, и амплитуда импульсов

не меняется. В момент t1 включена модуляция, и амплитуда импульсов начинает

изменяться с частотой Ω. Последовательность немодулированных импульсов тока через диод может быть представлена в виде ряда Фурье с постоянной составляющей. Модель тока с момента t1 будет представлять собой произведение ряда Фурье

и множителя модуляции (1+ mcosΩt) :

iд = (1+ m cosΩt)(I0 + Im1 cosωнt + Im2 cos 2ωнt +...) .

В спектре такого тока будет постоянная составляющая, составляющая несущей частоты ωн , ее гармоники и комбинационные частоты. В составе спектра появляется

низкочастотная составляющая mI0 cosΩt , которую и выделяет ФНЧ.

При линейном детектировании нелинейные искажения информационного сигнала минимальны, а коэффициент передачи детектора Кд , равный отношению по-

стоянной составляющей выходного напряжения U0вых к амплитуде немодулированного несущего колебания U m , Кд =U0вых /U m не зависит от амплитуды несущей:

Кд = cosθ ,

где θ - угол отсечки тока диода.

63

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы линейного диодного АД.

Рисунок 6 – Спектральные диаграммы АМ сигнала на входе детектора, тока диода и выходного сигнала.

Линейный АД применяется как в профессиональной, так и в бытовой радиоаппаратуре.

21СИНХРОННОЕ (КОГЕРЕНТНОЕ) ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ СИГНАЛОВ

Диодный детектор дает хорошие результаты при детектировании АМ сигнала с

высоким уровнем (несколько вольт). Для детектирования АМ сигналов с малым уровнем (десятые доли вольта или меньше), БМ и ОМ сигналов применяют синхронное (когерентное) детектирование, при котором напряжение на выходе детектора зависит не только от амплитуды, но и от фазы входного сигнала.

Синхронным называется детектирование высокочастотных колебаний, при котором используется специально выделенное несущее колебание.

Синхронный детектор (СД) можно рассматривать как преобразователь частоты при частоте гетеродина, совпадающей с частотой сигнала. Поэтому он называется синхронным.

Рисунок 21.1 – Структурная схема СД.

G - опорный генератор (гетеродин). Формирует (генерирует) опорный сигнал, совпадающий по частоте и фазе с несущей АМ сигнала.

64

ФАПЧ – система фазовой автоподстройки частоты опорного генератора. Выделяет несущую сигнала, которая используется для подстройки частоты и начальной фазы гетеродина.

× - перемножитель. Перемножает АМ и опорный сигналы. Сигнал на его выхо-

де:

u1 (t) = sAM (t)uг (t) =U m (1+ m cosΩt)cos(ωнt +ϕ0 )U mг cos(ωнt +ϕ0 ) =

= 12U mU mг (1+ m cosΩt)[cos((ωн −ωн )t +ϕ0 −ϕ0 ) + cos((ωн +ωн )t +ϕ0 +ϕ0 ] =

=12U mU mг (1+ m cosΩt)[1+cos(2ωнt + 2ϕ0 )].

Вкачестве перемножителя может быть использован балансный модулятор, специальный аналоговый перемножитель на микросхеме.

ФНЧ – фильтр нижних частот. Выделяет низкочастотные составляющие этого сигнала. Сигнал на выходе ФНЧ:

uвых (t) = 12U mU mгm cosΩt.

В спектре БМ и ОМ сигналов несущая отсутствует. При этом для получения опорного сигнала применяются два технических решения:

-вместе с БМ и ОМ сигналами передается пилот-сигнал, представляющий собой остаток несущей;

-при полностью подавленной несущей используется местная несущая, формируемая на приеме специальным высокостабильным генератором несущей.

Достоинства:

-такое детектирование линейное, т.е. имеется прямая пропорциональная зависимость между значениями выходного напряжения детектора и огибающей входного АМ сигнала;

-СД можно использовать для детектирования ФМ сигналов, т.к. он реагирует на фазу входного сигнала;

-отсутствие эффекта подавления слабого сигнала сильной помехой (равенство отношений сигнал-помеха на входе и выходе детектора);

-СД характеризуется частотной избирательностью (чем больше разность частот сигнала и помехи, тем меньшее напряжение помехи создается на выходе СД).

Недостаток:

-значительные технические трудности обеспечения синхронности и синфазности опорного и принимаемого сигналов.

При несовпадении фаз выходной сигнал оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:

u1 ( t ) = sAM ( t )uг ( t ) =Um (1 + m cos Ωt )cos(ωнt +ϕ0 )Umг cos(ωнt +ϕ0 −∆ϕ ) =

=

1

U

m

U

mг

(1

+ m cos Ωt )[cos((ω

н

−ω

н

)t +ϕ

0

−ϕ

0

+ ∆ϕ ) +cos((ω

н

+ω

н

)t +ϕ

0

+ϕ

0

−∆ϕ] =

2

=

1

U

U

(1

+ m cos Ωt )[cos( ∆ϕ ) +cos( 2ω

t + 2ϕ

−∆ϕ );

2

m

mг

н

0

uвых (t) = 12UmUmгm cos(∆ϕ)cosΩt.

При ∆ϕ = 00 напряжение максимально; при 00 < ∆ϕ < 900 амплитуда сигнала занижается; а при ∆ϕ = 900 напряжение равно нулю, что делает невозможным прием сигнала.

65

При несовпадении частот сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой (начинает пульсировать с частотой биений ∆Ω):

u1 (t) = sAM (t)uг (t) =U m (1+ m cosΩt)cos(ωнt +ϕ0 )U mг cos((ωн −∆Ω)t +ϕ0 ) =

=

1 U U

(1+ m cosΩt)[cos((ω

−ω

+ ∆Ω)t +ϕ

−ϕ

) +cos((ω

+ω

−∆Ω)t +ϕ

+ϕ

] =

2

m mг

н

н

0

0

н

н

0

0

=

1 U U

(1+ m cosΩt)[cos(∆Ωt) +cos((2ω

−∆Ω)t + 2ϕ

)];

2

m mг

н

0

uвых (t) = 12U mU mгm cos(Ωt)cos(∆Ω)t.

22 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЧМ СИГНАЛОВ

22.1 Принцип работы частотных детекторов

Частотный детектор (ЧД) – устройство, напряжение на выходе которого зависит от частоты входного сигнала.

Для восстановления модулирующего сигнала из ЧМ сигнала только нелинейного устройства недостаточно, т.к. в реакции любого НЭ на ЧМ сигнал имеются только модулированные гармоники частоты несущей и нет низкочастотных составляющих.

Для доказательства рассмотрим нелинейное преобразование ЧМ сигнала. Пусть ВАХ НЭ аппроксимирована полиномом:

i = a0 + a1u + a2u2 ,

где u = sЧ М .

Оказывается, что ток НЭ не содержит информационной низкочастотной компоненты:

i(t) = a0 + a1U m cos(ωнt + MЧМ sin Ωt) + a2U m 2 cos2 (ωнt + MЧМ sin Ωt) =

= a0 + 12 a2 U m 2 + a1U m cos(ωнt + MЧМ sin Ωt) + 12U m 2 cos 2(ωнt + MЧМ sin Ωt).

Следовательно, требуется дополнительное преобразование ЧМ сигнала. ЧД работают по принципу преобразования ЧМ в другой вид модуляции с последующим детектированием преобразованного вида модуляции. В зависимости от характера преобразований ЧМ различают частотно-амплитудные, частотно-фазовые и частот- но-импульсные детекторы.

Вчастотно-амплитудных детекторах изменение частоты сигнала преобразуется

визменение амплитуды, которое выделяется АД. В частотно-фазовых детекторах изменение частоты преобразуется в изменение фазового сдвига между двумя напряжениями с последующим фазовым детектированием. В частотно-импульсных детекторах ЧМ сигнал преобразуется в один из видов импульсной модуляции с последующим детектированием с помощью ФНЧ или счетной схемы.

22.2Частотно-амплитудные детекторы

66

Рисунок 22.1 – Принципиальная схема ЧД с расстроенным колебательным контуром.

Преобразование ЧМ сигнала осуществляется в колебательном контуре, расстроенном относительно несущей частоты сигнала (ωрез ≠ ωн ). Величину расстройки

контура выбирают больше девиации частоты: ∆ω > ∆ωm . При изменении частоты принимаемого сигнала ω(t) =ωн + ∆ω(t) изменяется коэффициент передачи контура

по напряжению К , в результате изменяется амплитуда напряжения на контуре U mк (t) и ЧМ колебание превращается в амплитудно-частотно-модулированное

(АЧМ) uк (t) . Напряжение с контура подается на линейный АД, на выходе которого получается низкочастотный сигнал uвых (t) .

Рисунок 22.2 – Временные диаграммы работы ЧД, если рабочая точка выбрана на левой ветви резонансной характеристики контура (ωрез >ωн ).

Детекторная характеристика рассмотренного ЧД, представляющая собой зависимость постоянного напряжения на выходе детектора U0вых от частоты f немоду-

лированного высокочастотного сигнала на его входе, представлена на рисунке 22.3.

Рисунок 22.3 – Детекторная характеристика рассмотренного

ЧД: 1 - ωрез >ωн ; 2 - ωрез <ωн .

Недостаток:

- детекторная характеристика имеет значительную нелинейность (т.к. одиночный колебательный контур имеет незначительный линейный участок резонансной характеристики), т.е. характерны значительные несимметричные нелинейные искажения исходного сигнала.

Уменьшения нелинейных искажений добиваются уменьшением добротности контура или применением более сложных схем детекторов.

67

ω >ωн . В этом случае:

ω <ωн . В этом случае:

Рисунок 22.4 – Принципиальная схема ЧД с двумя расстроенными контурами. Такой ЧД представляет собой два ЧД с одиночными контурами, расстроенных симметрично относительно несущей частоты входного сигнала. L1C1-контур перво-

го ЧД настроен на частоту ωрез1 >ωн , а L2C2 -контур – на частоту ωрез2 <ωн .

Впроцессе работы ЧД можно выделить три основных случая:

-частота детектируемого сигнала равна несущей частоте ω =ωн . В этом случае ам-

плитуды напряжений на контурах одинаковы U mк1 =U mк2 , при этом токи через диоды

также равны i1	= i2 и создают на резисторах Rн1 и	Rн2 одинаковые напряжения
uвых1 = uвых2 , а т.к.	токи имеют встречное направление,	то напряжение на выходе де-

тектора, равно разности этих напряжений uвых = uвых1 −uвых2 = 0 ; - частота детектируемого сигнала выше несущей частоты

U mк1 >U mк2 , i1 > i2 , uвых1 > uвых2 , uвых = uвых1 −uвых2 > 0 ;

- частота детектируемого сигнала ниже несущей частоты

U mк1 <U mк2 , i1 < i2 , uвых1 < uвых2 , uвых = uвых1 −uвых2 < 0 .

Рисунок 22.5 – Резонансные кривые расстроенных контуров. Детекторная характеристика рассмотренного ЧД представлена на рисунке 22.6.

Рисунок 22.6 - Детекторная характеристика рассмотренного ЧД : 1 – частоты настройки первого и второго контуров: ωрез1 >ωн и ωрез2 <ωн ; 2 – частоты настройки

первого и второго контуров: ωрез1 <ωн и ωрез2 >ωн .

Достоинства:

68

-детекторная характеристика имеет значительный линейный участок, благодаря чему детектирование происходит без искажений.

Недостаток:

-сложность в изготовлении и настройке.

23 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ФМ СИГНАЛОВ

Фазовый детектор (ФД) – устройство, в котором входной ФМ сигнал преобразуется в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции фазы.

Все ФД являются когерентными (требуют обязательного наличия синхронного с частотой сигнала опорного колебания), т.к. выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно только путем его сравнения с немодулированным колебанием (опорным). Начальные фазы ФМ сигнала и опорного колебания в общем случае могут и не совпадать. Структурная схема ФД аналогична схеме СД.

23.1 Однотактный диодный ФД

Представляет собой обычный диодный АД, на который подается сумма напряжений опорного колебания и сигнала.

Рисунок 23.1 – Принципиальная схема однотактного диодного ФД. Пусть uг =U mг cosωнt - опорное напряжение, sФМ =Um cos(ωнt +ϕ(t)) - детектируе-

мое напряжение, тогда напряжение на диоде: uд = uг + sФМ . Проведем векторное сложение двух напряжений uг и sФМ .

Рисунок 23.2 – Векторная диаграмма.

В результате получаем суммарное напряжение uд той же частоты, но другой

фазы. Его амплитуда зависит от фазы входного напряжения (т.е. происходит преобразование ФМ в АМ):

U mд = U mг2 +U m 2 + 2U mгU m cosϕ .

Полученный АМ сигнал детектируется АД. Выходное напряжение ФД:

uвых = KдU mд ,

где Кд - коэффициент передачи АД.

69

Детекторная характеристика ФД – зависимость его выходного напряжения U0вых от разности фаз входного и опорного сигнала ϕ .

Детекторная характеристика рассмотренного ФД показана на рисунке 23.3 (кривая 1).

Рисунок 23.3 – Детекторные характеристики ФД: 1 – однотактного; 2 – балансного.

Выводы:

- характеристика имеет малый линейный участок вблизи углов ϕ = (2n +1)900 , поэто-

му детектирование сопровождается значительными искажениями; - выходное напряжение не меняет знака при изменениях фазы.

23.2 Балансный диодный ФД

Представляет собой два встречно включенных АД, на которые подаются сумма и разность напряжений опорного колебания и сигнала.

Рисунок 23.4 – Принципиальная схема балансного диодного ФД. При выбранной полярности напряжений uг и sФМ напряжения на диодах:

uд1 = uг +0,5sФМ , uд1 = uг +0,5sФМ .

Рисунок 23.5 – Векторная диаграмма.

Пользуясь векторной диаграммой, можно определить амплитуды напряжений на диодах:

70