lektsii_ORE_2015

этот сигнал поступает в полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2. ПФ1 выделяет верхнюю боковую полосу SВБП(t), а ПФ2 нижнюю боковую полосу SНБП(t).

Метод фазирования

Структурная электрическая схема модулятора реализующего данный метод представлена на рисунке 12.16. При данном методе модулирующий сигнал u(t) и несущее колебание S(t) подаются на два модулятора, причем на модулятор М2 данные сигналы поступают со сдвигом фазы на 90°. Это сдвиг осуществляется фазовращателями ФВ1 и ФВ2. На выходе модуляторов формируются модулированные сигналы SАМ(t) и SАМ(t)*, отличающиеся друг от друга сдвигом фаз 90°. При сложении этих сигналов формируется сигнал верхней боковой полосы, при вычитании — сигнал нижней боковой полосы.

Рисунок 12.16 - Функциональная электрическая схема модулятора ОМ сигналов методом фазирования

Формирование частотно-модулированных сигналов

Формирование ЧМ сигналов может производиться с помощью генераторов, в которых частота генерируемых колебаний зависит от модулирующего сигнала. Принципиальная электрическая схема такого модулятора представлена на рисунке 12.17.

Рисунок 12.17 - Принципиальная электрическая схема частотного модулятора с варикапом

В представленном модуляторе управление частотой генератора осуществляет варикап VD, к которому приложено обратное напряжение. Напряжение

модулирующего сигнала подается через первичную обмотку трансформатора Т. Левая часть модулятора представляет LC-генератор с трансформаторной обратной связьью, который генерирует колебания с частотой:

wг = 1/?(L2Сэ) (25)

где Сэ — эквивалентная емкость контура.

Эквивалентная емкость контура зависит от емкости С1 и емкости варикапа. В свою очередь емкость варикапа образована емкостью зависящей от напряжения смещения Сv0 и емкостью зависящей от напряжения модулирующего сигнала Cvu. Таким образом эквивалентная емкость равна:

Cэ = С1 + Сv0+ Cvu. (26)

Из всех емкостей переменной является емкость Cvu. Поэтому частота колебаний генератора изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. При отсутствии модулирующего сигнала генератор вырабатывает колебания с частотой несущего сигнала ?0.

Формирование фазо-модулированных сигналов

ФМ сигнал можно получить используя резонансный усилитель. Принципиальная электрическая схема такого модулятора представлена на рисунке 12.18. В этом модуляторе резонансный усилитель собран на транзисторе VT. На транзистор подаются напряжение смещения U0 и напряжение несущего колебания S(t). Нагрузкой транзистора является колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой несущего колебания, т. е. при отсутствии модулирующего сигнала ?рез = ?0. Резонансная частота колебательного, как и в частотном модуляторе, зависит от емкостей конденсатора С1 и емкости варикапа VD. Емкость варикапа изменяется в соответствии с напряжением модулирующего сигнала u(t), подаваемого через первичную обмотку трансформатора Т.

Рисунок 12.18Принципиальная электрическая схема фазового модулятора на резонансном усилителе

Таким образом резонансная частота контура изменяется в соответствии с мгновенными значениями сигнала u(t), а соответственно будет изменятся и частота колебаний модулированного сигнала, причем изменение частоты происходит в соответствии с частотой ФМ сигнала.

Также ФМ сигнал можно получить из балансно-модулированного сигнала. Структурная схема такого модулятора представлена на рисунке 12.19.

Рисунок 12.19 - Структурная электрическая схема фазового модулятора

Балансно-модулированный сигнал формируется в балансном или кольцевом модуляторе (БМ). Затем сигнал SБМ(t) поступает в сумматор. На второй вход сумматора поступает несущее колебание со сдвигом фазы 90°. Этот сдвиг осуществляет фазовращатель ФВ1.

.

ЛЕКЦИЯ №21

12.3. Детектирование модулированных сигналов

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 12.20 - 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 12.21). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 12.21 - Детекторная характеристика детектора Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды

выходного напряжения Umu детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Umu на всех частотах (рисунок 12.22). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Рисунок 12.22 - Частотная характеристика детектора Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического

модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Umu к амплитуде приращения информационного параметра несущей

Кд = Umu/Um.

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Некогерентный амплитудный детектор на диоде

Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора представлена на рисунке 12.23. 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 12.24.

Рисунок 12.23 - Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора на диоде

На диод поступает АМ сигнал SАМ(t), в спектре которого имеются составляющая несущего сигнала и боковые составляющие (рисунок 12.24, а)

В спектре отклика диода uд(t) появляются новые составляющие: постоянная, составляющая модулирующего сигнала и высшие гармоники модулированного сигнала (рисунок 12.24, б). Элементы R1 C1 образуют фильтр низких частот, который шунтирует высокочастотные составляющие спектра отклика и тем самым выделяют составляющую модулирующего сигнала и

Рисунок 12.24 - Процесс детектирования АМ сигналов

постоянную составляющую uФНЧ(t) (рисунок 12.24, в). Разделительный конденсатор C2 задерживает постоянную составляющую спектра и в спектре выходного сигнала присутствует только составляющая модулирующего сигнала u(t) (рисунок 12.24, г).

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

1/ω0С1<< R1 << 1/ΩC1

где С1 и R1 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 12.25). При данном режиме могут использоваться входные сигналы небольшой амплитуды, но при этом возникают большие нелинейные искажения сигнала.

Рисунок 12.26 - 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 сигналпомеха 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.

Квадратичное детектирование Квадратичное детектирование применяется для детектирования

сигналов малой амплитуды (до 1 В). При квадратичном детектировании используется начальный участок ВАХ биполярного транзистора или диода. Этот участок ВАХ можно аппроксимировать полиномом второй степени вида

i t i U	0	aU t bU 2	t ,	(12.1)

где U(t)=A(t)cos 0t – мгновенное значение несущего модулированного колебания, начальная фаза которого для простоты предполагается равной 0.

U(t) = Uам(t) = (1+ CosΩt) Um2Cos t

Подставляя в выражение (1) напряжение U(t), получим

i t iк0			2		2
		аA(t)cos 0t bA		(t)cos		0t iк0
i	i i i2 i2				i2		i2 2 .	(12.2)
0		0	0		0		0

где Т 0 =2/ o – период несущих колебаний. Как следует из соотношения (12.2), спектр сигнала на выходе детектора содержит:

постоянную составляющую i ,

к0

высокочастотную i 0 ,

две низкочастотные составляющие i , i2 и т. д.

Полезный сигнал содержится в низкочастотных составляющих, поэтому высокочастотные гармоники необходимо отфильтровать.

В этом случае используют простейшие RC-фильтры нижних частот, как это показано для схемы диодного детектора (рис12.27. б).

Зависимость модуля		комплексного сопротивления от частоты для таких
фильтров имеет вид		Z			R / 1 RC 2 (рис. 12.27 в). Если параметры
фильтра выбрать так, чтобы
Т 0 <<RC=раз<<T ,
раз – постоянная времени					разряда RC-цепи, а T =2/ – период

модулирующих колебаний, то на выходе фильтра согласно выражению (12.2), будет выделен сигнал

U U bU02mRcos t	bU02m2 R	cos2 t,	(12.4)
4

где U – постоянная составляющая выходного напряжения. Из соотношения (12.4) следует, что полезный сигнал частоты пропорционален квадрату амплитуды входного напряжения, поэтому такой режим детектирования называется квадратичным.

Присутствие в выражении (12.4) третьего слагаемого, которое полностью отфильтровать с помощью простейшего RC-фильтра практически невозможно, ведет к тому, что коэффициент нелинейных искажений для коэффициента модуляции m=100 % может достигать 25 %.

Все это искажает информационный сигнал и, как следствие, ухудшает качество принимаемого полезного сигнала. Другим недостатком рассмотренного режима детектирования является низкий коэффициент передачи напряжения.

ЛЕКЦИЯ №22

Линейное детектирование

В практических схемах чаще всего используется линейный режим детектирования или линейное детектирование, когда рабочая точка расположена на линейном участке ВАХ, что возможно при достаточно большой величине сигнала, поданного на вход детектора. В этом случае ВАХ может быть представлена в виде двух отрезков прямых

линий (рис. 12.28 а).

На вход такого линейного детектора подается АМ-сигнал

достаточно большой амплитуды, а номинальные значения R и C выбраны так, что угол отсечки = 0 /2. Тогда на его выходе будут

наблюдаться высокочастотные импульсы тока со сложным спектральным составом. Среднее значение выпрямленного тока будет равно

		Im						Im
iср					cos 0t cos d 0t				sin cos .		(12.5)
				0
Учитывая, что sin cos – величина постоянная, а Im зависит от как
Im= I0(1+mcos t), выражение (6) можно переписать в виде
i	I0			sin cos		mI0	sin cos cos t i			i .	(12.6)
ср								0

Таким образом, для идеализированного низкочастотного фильтра, для которого Z( )=R, в полосе частот от 0 до получим

U i R	mI0 R	sin cos cos t	mU0 R	sin cos cos t,	(12.7)
			Ri

где Ri – внутреннее сопротивление диода.

Из соотношения (12.7) следует, что напряжение на выходе детектора пропорционально величине U0 в первой степени. Это означает отсутствие нелинейных искажений. Тогда коэффициент передачи напряжения линейного детектора будет равен

	Кд	U		R	sin cos .	(12.8)
		mU0 cos t		Ri

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 12.29 - Структурная электрическая схема синхронного детектора

На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал SАМ(t) и опорное колебание от генератора uг(t):

SАМ(t) = Um(1 + mАМ u(t)) cos (w0t +φ0); uг(t) = Umг cos (w0t + φ0).

На выходе балансного модулятора формируется сигнал u1(t)

u1(t) = SАМ(t) uг(t) = Um (1 + mАМ u(t)) cos (w0t + j0)Umг cos (w0t + φ0) = 0,5 Um Umг (1 + mАМu(t))(1 + cos (2w0t + 2φ0))

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

uвых(t) = 0,5 Um Umг mАМ u(t)

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 балансномодулированные 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 df. При этом возникает сдвиг частот в канале связи. Отсюда следуют жесткие требования к стабильности генераторного оборудования систем связи.

Рисунок 12.30 - 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 12.31.

Рисунок 12.31 - 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 12.32).