18.5. Синхронное детектирование

Синхронное детектирование – это особый вид преобразования частоты, при котором частота гетеродина, равна частоте сигнала _с=_г. Точнее – опорное колебание, создаваемое гетеродином, когерентно несущему колебанию демодулируемого сигнала.

Прежде всего, полагая сигнал модулированным по амплитуде или по фазе колебанием

,

и перемножая его с когерентным напряжением гетеродина

можно представить выходное напряжение синхронного детектора в виде

Приближенное равенство в учитывает, что колебание очень высокой (двойной) частоты _с+_г=2_сотфильтровывается на выходе демодулятора простейшимRCфильтром нижних частот.

У сигнала, модулированного по амплитуде, начальная фаза постоянна. При этом, как видно из , если обеспечить разность фаз сигнала и гетеродина и, соответственно,cos_c=1, выходное напряжение синхронного демодулятора будет точно повторять изменение амплитуды сигнала

.

При фазовой модуляции, напротив, амплитуда сигнала постоянна, а фаза меняется около некоторого среднего значения , выходное напряжение синхронного детектора будет

.

Если подобрать фазу опорного колебания гетеродина таким, чтобы в среднем фаза сигнала менялась около значения , то

.

Таким образом, с помощью полностью линейной системы, составленной, например, из смесителя, работающего на принципе изменения крутизны S, и линейного фильтра нижних частот можно осуществить демодуляция модулированного сигнала по амплитуде или по фазе сигнала. Подобный принцип демодуляции получил название синхронного детектирования. Как ясно из предыдущего, в основе этого принципа лежит применение в приемнике гетеродина, синхронного с несущей частотой принимаемого сигнала. Основным преимуществом такого способа обработки сигнала является повышение избирательности приема, достигаемое благодаря использованию фильтра нижних частот; очевидно, что полоса прозрачности такого фильтра может быть сделана значительно более узкой, нежели в высокочастотных колебательных системах.

Трансформация спектра сигнала при синхронном детектировании иллюстрируется рис.18.22.

Рис.18.22. Изменение спектра сигнала в процессе синхронного детектирования

Широкому распространению синхронного детектирования в современных радиоэлектронных системах различной структуры и функционального назначения способствовало то обстоятельство, что оно (детектирование) не сопровождается подавлением сигнала. Действительно, соотношение сигнал/шум на входе синхронного детектора

.

После перемножителя соотношение сигнал/шум – это отношение половины мощности входного сигнала с шуму, спектральная плотность которого как у входного, а полоса – в 2 раза уже. Поэтому

.

Эквивалентная шумовая полоса интегратора с временем интегрирования от 0 до Тf_ш=1/Т. Поэтому соотношение сигнал/шум после интегратора

,

т.е. пропорционально входному с коэффициентом пропорциональности, равным соотношению полос (входной и выходной) или, что то же самое, fT– базы сигнала, с которым согласован синхронный детектор (или согласованный фильтр).

2. Аналитическая модель. Шум считается белым с односторонней спектральной плотностью Nи автокорреляционной функцией

Выходная величина синхронного детектора

т.е. z(t) имеет две компоненты:

сигнальную

и шумовую

.

Среднее значение шумовой компоненты

,

Поскольку s(t) иn(t) статистически независимы.

Дисперсия шумовой компоненты

.

Используя фильтрующее свойство функции, можно получить:

.

Поэтому соотношение сигнал/шум на выходе

в базу B=Tfраз лучше входного отношения сигнал/шум, взятого в первой степени

Основная трудность при синхронном детектировании заключается в получении когерентного сигналу опорного напряжения. Обычно точное значение частоты сигнала неизвестно и напряжение, синхронное с сигналом, выделяется с помощью ФАПЧ.

Система ФАПЧ также подвержена влиянию помех, но применение синхронного детектора с такой системой все же обеспечивает выигрыш в отношении сигнал-помеха, поскольку систему ФАПЧ можно сделать значительно более узкополосной, чем канал приема полезной информации.