18.3. Частотная и фазовая демодуляция

Напряжение на выходе частотного детектора должно воспроизводить закон изменения мгновенной частоты модулированного колебания. Представив ЧМ колебание в форме

,

можно получить для выходного сигнала идеального частотного детектора естественное функциональное соотношение:

,

где представляет собой мгновенное значение частотного отклонения входного сигнала,k_чд– крутизну характеристики частотного детектора, выраженную в вольтах не единицу угловой частоты. Если пользоваться циклическими частотами, то в крутизна характеристики частотного детектора будет иметь размерность В/Гц.

Предполагается, что f(t), а следовательно, иu_вых(t) являются "медленными" функциями времени. Для выделенияu_аых(t) из частотно-модулированного колебания, спектр которого состоит только из высокочастотных составляющих на несущей частоте₀и боковых частотах модуляции, необходимо нелинейное устройство. Следовательно, частотный детектор обязательно должен включать в себя нелинейный элемент. Однако в отличие от амплитудного детектора одного лишь нелинейного элемента недостаточно для образования частот сообщения. Действительно, из рассмотрения вольтамперных характеристик нелинейных элементов видно, что при постоянстве амплитуды входного напряжения нелинейный элемент не реагирует на изменение частоты этого напряжения. Иными словами, нелинейность таких устройств, как диод, транзистор и т. д., проявляется лишь при изменении величины действующего на них напряжения, но не при изменении частоты или, в общем случае, скорости изменения сигнала. Поэтому обычный частотный детектор представляет собой сочетание следующих двух основных частей:

- избирательной линейной системы, преобразующей частотную модуляцию в амплитудную, и

- амплитудного детектора.

При правильном построении схемы частотного детектора изменение амплитуды входного сигнала не должно влиять на величину выходного напряжения. Поэтому в состав частотного детектора обычно входят устройство для ограничения амплитуды входной э. д. с. Иногда ограничение осуществляется путем установления специального режима работы усилительной лампы, входящей в состав частотного детектора.

В качестве линейной системы может быть использована любая электрическая цепь, обладающая неравномерной частотной характеристикой: цепи RL,RC, фильтры, колебательные контуры и т. д. В высокочастотной технике исключительное распространение получили колебательные системы. Схема частотного детектора, содержащего простой колебательный контур, представлена на рис. 18.4. Если резонансная частота контура отличается от средней частоты модулированного колебания, то изменение амплитуды напряжения на контуреU_кповторяет, в известных пределах, изменение частоты входного напряжения.

Рис. 18.4. Простейший частотный детектор

Положение точек ₀и_рна оси частот, а также изменениеU_кдля случая синусоидальной модуляции частоты, показаны на рис. 18.5.

Рис.18.5. Преобразование ЧМ сигнала в АМ

Изменение амплитуды U_квысокочастотного напряжения с помощью диода преобразуется в низкочастотное напряжение, которое выделяется на апериодической нагрузкеR,С. Отметим попутно, что при точной настройке контура на частоту сигнал искажается: частота изменения огибающей получается вдвое выше, чем частота полезной модуляции. В исходном положении, т. е. в отсутствие модуляции, рабочая точка должна устанавливаться на скате резонансной кривой.

Детектор с одиночным контуром использует очень ограниченный линейный участок резонансной кривой. Значительно лучшие результаты могут быть получены от дифференциальной схемы, показанной на рис. 18.6.

Рис.18.6. Дифференциальная схема частотного детектора

В этой схеме напряжение на выходе детектора получается как разность двух выпрямленных напряжений, создаваемых на сопротивлениях R₁иR₂. Колебательные контуры, настроенные на частоты₁и₂

,

т.е. расстраиваются относительно средней частоты колебания на ±₀рис. 18.7, благодаря чему амплитуды напряженийU_к1иU_к2при частоте₀приблизительно одинаковы и равны

,

где U₀– амплитуда напряжения при резонансной частоте₀;– обобщенная расстройка.

Рис. 18.7. Настройка колебательных контуров в дифференциальной схеме частотного детектора а) и его дискриминационная характеристикаб)

При отклонении частоты входного ЧМ колебания от номинального значения ₀на величину –напряжение на контуре, настроенном на частоту₁=₀-₀увеличивается, поскольку расстройка уменьшается до₀–, и становится равным

,

где

.

По отношению к контуру, настроенному на частоту ₂=₀+₀, наоборот, расстройка возрастает до₀+, связи с чем напряжениеU_к2падает до величины

.

Разность амплитуд напряжений равна

.

Так как выпрямленные напряжения u_вых1илиu_вых2действующие на выходе соответственно первого и второго амплитудных детекторов, пропорциональны амплитудамU_к1иU_к2, то напряжение на выходе частотного детектора пропорционально разности этих амплитуд, а именноU:

.

График функции приведен на рис. 18.7.

Существенным недостатком рассмотренной схемы является необходимость настройки контуров на частоты, отличные от частоты немодулированного колебания. От этого недостатка свободна схема фазочастотного детектора, представленная на рис. 1.8.

Рис.18.8. Схема фазочастотного детектора

Напряжение высокой частоты на каждом из диодов равно векторной сумме напряжения на первом контуре и напряжения на соответствующей половине катушки второго контура. На векторной диаграмме, приведенной на рис. 18.9, а, показано сложение этих напряжений при резонансной частоте.

Рис. 18.9. Векторная диаграмма суммарного и разностного напряжений, подаваемых на диоды дискриминатора:

а) при резонансе;б) при частоте ниже резонансной;в) при частоте выше резонансной

При резонансной частоте напряжение на втором контуре U₂сдвинуто на 90° относительно напряжения на первом контуреU₁.

При отклонении частоты от резонансной угол между U₁иU₂становится отличным от 90° в ту или другую сторону. Так, при уменьшении частоты векторная диаграмма напряжений приобретает вид 18.9,б, а при увеличении – рис. 18.9,в.

Выходное напряжение дискриминатора

изменяется с частотой так, как показано на рис. 18.7, б.

Максимальная линейность среднего участка характеристики получается при одинаковой добротности обоих контуров (с учетом шунтирующего влияния диодов) и оптимальном коэффициенте связи между контурами.

Реальная схема фазочастотного дискриминатора обычно не содержит высокочастотного дросселя, и вместо двух конденсаторов, шунтирующих нагрузки детекторов, включается один.

Для демодуляции ЧМ колебаний наряду с фазочастотным дискриминатором широко применяется детектор отношений рис. 18.10.

Рис. 18.10. Детектор отношений

Контуры IиIIнастроены в резонанс.

С катушкой контура Iсвязана катушкаIII, не являющаяся составной частью колебательного контураII, настроенного в резонанс с контуромI. Связь между катушкамиIиIIIочень сильная. Обычно витки катушкиIнаматываются вместе с витками катушкиIII. Напряжение на катушкеIIIсовпадает с напряжением на контуреI.

Собственная добротность второго контура выше, чем у первого, примерно в полтора раза. Диоды, подключенные ко второму контуру, шунтируют его своими входными сопротивлениями, обеспечивая динамическое амплитудное ограничение высокочастотного колебания.

При изменении частоты напряжения U₁иU₂на диодах изменяются так же, как как и в фазочастотном дискриминаторе, с той лишь разницей, что выпрямленное суммарное напряжение |U₁| и |U₂| не может меняться быстро из-за наличия конденсатора большой емкости, включенного параллельно сопротивлениям нагрузкиR₁иR₂. При изменении частоты может изменяться только отношение напряжений |U₁| и |U₂|.

Напряжение на выходе детектора отношений равно

.

Это напряжение в два раза меньше выходного напряжения фазочастотного дискриминатора. Однако поскольку в дискриминаторе не устраняется амплитудная модуляция, то перед ним приходится устанавливать каскад ограничения, тогда как детектор отношений в предварительном ограничении не нуждается. Так как каскад амплитудного ограничения имеет коэффициент передачи, значительно меньший, чем каскад усиления, общий коэффициент усиления схемы с детектором отношений выше.

На рис. 18.11 показана структурная схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), используемой для демодуляции ЧМ колебания.

Рис. 18.11. Использование системы ФАПЧ для демодуляции ЧМ колебания

Демодулятор содержит перемножитель входного ЧМ сигнала и генератора, частота которого, перестраивается напряжением (местного гетеродтна). При совпадении частот сигнала и гетеродина и фазовом сдвиге 90на выходе фильтра нижних частот (сглаживающих цепей) напряжение равно нулю. Изменение частоты сигнала и рассогласование частот сигнала и гетеродина создает между ними фазовый сдвиг. При этом на выходе появляется, напряжение, пропорциональное этому сдвигу.

Напряжение на выходе сглаживающей цепи, управляющее частотой перестраиваемого гетеродина, используется в качестве выходного сигнала – как результата частотного детектирования.

Фазовым детектором (демодулятором) называется устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух сравниваемых напряжений одной частоты или очень близких частот.

Фазовые детекторы применяются в широком диапазоне частот от нескольких десятков герц до десятков мегагерц. Работа фазового детектора иллюстрируется схемой рис. 18.12.

Рис.18.12. Схема фазового детектора

Напряжение на верхнем по схеме диоде равно U₁=U_с+U_оп, а на нижнем диодеU₂=U_с–U_оп.

Напряжение на выходе детектора пропорционально (приблизительно равно) разности модулей напряжений U₁иU₂:

.

Выходное напряжение зависит от разности фаз напряжений U₁иU₂. На рис. 18.13,апоказана диаграмма напряжений, когда фазовый сдвиг междуU₁иU₂отсутствует (равен нулю).

Рис. 18.13. Векторная диаграмма напряжений в фазовом детекторе:

а– при нулевом фазовом сдвиге между сигналом и опорным напряжением;б– при фазовом сдвиге, равном 90°

Векторная диаграмма напряжений U₁иU₂при фазовом сдвиге междуU_сиU_оп, равном 90°, показана на рис. 18.13,б. В этом случае выходное напряжение равно нулю.

Зависимость выходного напряжения и_выхот фазового сдвигамежду сигналом и опорным напряжением показана на рис. 18.14.

Рис. 18.14. Зависимость выходного напряжения фазового детектора от фазового сдвига между сигналом опорным напряжением

Эта зависимость имеет вид

Если U_с=U_оп=u, то из следует, что

.

Если же одно из напряжений U_силиU_опменьше другого в несколько раз, то из получается, что

.

Фазовый детектор находит многочисленные применения не только для демодуляции ФМ и ФМн колебаний, но и в различных устройствах автоматики.