Контрольные вопросы к разделу 17

1. В чем заключается модуляция гармонического колебания? Какие виды модуляции вы знаете?

2. Какие системы могут быть использованы в качестве модуляторов и почему?

3. Нарисуйте и поясните эквивалентную схему амплитудного модулятора.

4. Что называется модуляционной характеристикой?

5. Что такое линейный режим с переменными параметрами для модулятора? Запишите выражение модуляционной характеристики для этого случая.

6. Что называется угловой модуляцией? В чем заключается модуляция по частоте (фазе)?

7. Поясните способ осуществления угловой модуляции в автогенераторе.

8. Нарисуйте схему автогенератора с варикапом ,и поясните ее работу.

9. Как зависит ширина спектра модулированного по частоте колебания от индекса модуляции?

10. Какие сигналы называются многофазными?

18. Демодуляция радиосигналов

Демодуляция – это восстановление сигнала, который в неявной форме содержится в модулированном высокочастотном колебании. Иначе говоря, это процесс, обратный процессу модуляции. Традиционно наряду с термином "демодуляция" используется термин "детектирование" (обнаружение). Соответственно основным видам модуляции различают амплитудную, частотную и фазовую демодуляцию.

На вход демодулятора подается модулированное колебание, содержащее только высокочастотные составляющие: несущее колебание и боковые частотные составляющие. На выходе же выделяется напряжение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения. Следовательно, демодуляция сопровождается трансформацией частотного спектра и не может быть осуществлена без применения нелинейных систем или же линейных систем, но с переменными параметрами. В настоящее время широко применяются детекторы с нелинейными элементами.

18.1. Амплитудное детектирование

Обычный способ амплитудного детектирования предусматривает нелинейное преобразование модулированного колебания одно- или двухполупериодное выпрямление. В качестве нелинейного выпрямительного элемента в таких схемах используют диоды. Схемы и амплитудные характеристики детекторов иллюстрируются рис. 18.1.

Рис. 18.1. Амплитудные детекторы

а) однополупериодный иб) двухполупериодный

Преобразование в схемах рис.18.1. превращает АМ сигнал в последовательность косинусоидальных импульсов, модулированных по амплитуде рис.18.2.

Рис.18.2. АМ-детектирование

Около каждой гармоники в спектре сигнала АИМ, в том числе и около составляющей нулевой частоты, содержатся все составляющие спектра модулирующей функции. Они могут быть выделены низкочастотным фильтром.

Рис. 18.1 и рис.18.2 хорошо объясняют процессы преобразования больших по уровню сигналов, для которых справедливо преобразование вольтамперной характеристики выпрямительного диода в виде линейно ломаной линии. В более близком к реальности случае амплитуда АМ сигнала на входе детектора настолько мала, что обусловленные сигналом изменения тока укладываются на относительно небольшом участке нижнего сгиба характеристики диода. В этом случае нельзя пренебрегать нелинейностью диода и приходится описывать ее в окрестности рабочей точки полиномом по крайней мере второй степени:

,

где u₀– постоянное напряжение на входе детектирующего диода,s(t) – мгновенное значение входного высокочастотного сигнала, амплитуда которого модулирована по закону передаваемого сообщения (начальную фазу для краткости записи можно опустить, так как на работу амплитудного детектора фаза не оказывает влияния).

.

Таким образом, из и следует, что

Постоянная составляющая тока i(u₀)=i₀(ток покоя) и высокочастотные составляющие с частотами₀и 2₀отфильтровываются в нагрузочной цепи.

Информация содержится в последнем в формуле , низкочастотном, слагаемом

.

Подчеркивая, что эта составляющая пропорциональна квадрату амплитуды входного напряжения, демодуляцию при малых амплитудах называют квадратичной. Это положение является общим, справедливым для любых типов нелинейных элементов, используемых для детектирования.

То обстоятельство, что напряжение на нагрузке пропорционально квадрату амплитуды входного сигнала S²(t), не является препятствием к правильному воспроизведению формы импульсных, (прямоугольных) сигналов. Пусть, например, напряжение на входе детектора имеет характер высокочастотных импульсов с прямоугольной огибающей, как на рис. 18.3а.

Рис. 18.3.

Среднее значение тока диода показано на рис. 1.3, б. В интервалах между импульсами этот ток совпадает с током покоя i₀, а при наличии импульсов отличается на величину

,

где S₀представляет собой амплитуду высокочастотного напряжения, неизменную в пределах длительности импульса₀.

Напряжение на нагрузке детектора показано на рис. 1.3, в. В те отрезки времени, когда процесс заряда или разряда конденсатораСзакончен, напряжение на нагрузке равноi₀R(в интервале между импульсами) или (i₀+i)R(при наличии сигнала). На рис. 1.3,г показано отдельно приращение напряжения, создаваемое сигналом.

Представленное на рис.1.3, гнапряжение по форме мало отличается от огибающей высокочастотного колебания, действующего на входе детектора. Таким образом, квадратичный закон детектирования не препятствует воспроизведению формы прямоугольных импульсов. Нелинейность характеристики детектирования в данном случае проявляется лишь в том, что амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения на входе детектора.

Иначе, обстоит дело при квадратичном детектировании колебаний, огибающая которых является непрерывной функцией времени, как это имеет место при передаче аналоговых сообщений. Для упрощения рассуждений достаточно рассмотреть случай тональной модуляции. Подставив в выражение для АМ колебания

,

можно получить

В отсутствие модуляции (m_ам=0), т. е. когда на детектор действует одно лишь колебание несущей частоты, приращение анодного тока равно. Таким образом, при возникновении тональной модуляции среднее значение анодного тока получает постоянное по величине относительное приращение, равное.

Переменная часть тока содержит следующие два слагаемых:

- полезное, воспроизводящее сигнал, 2m_амsint,

- вредное, являющееся второй гармоникой сигнала .

Отсюда следует, что коэффициент нелинейных искажений, равный в данном случае отношению амплитуды второй гармоники к амплитуде первой, равен

.

При стопроцентной модуляции получается .

При модуляции несущего суммой колебаний двух частот ₁и₂в выходном напряжении детектора наряду с гармониками 2₁и 2₂возникают еще комбинационные частоты вида₁+₂и₁–₂, с амплитудами, пропорциональными произведению парциальных коэффициентов модуляцииm_ам1иm_ам2. Этот результат нетрудно получить, если в подставить

.

При передаче сложных сигналов, содержащих большое число частот, при глубокой модуляции гармоники и комбинационные частоты оказывают очень сильное влияние на качество воспроизведения сигнала. Поэтому применение квадратичного детектирования нецелесообразно в тех случаях, когда требуется неискаженное воспроизведение сигналов.