МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«УТВЕРЖДАЮ»

Начальник военной кафедры МИРЭА

В. Введенский

«_____»_______________2011 г.

Военно–специальная подготовка

(ВУС 141100, ВУС 541100)

Дисциплина ВСП.01

«Основы авиационной техники»

(программа издания 2003 года)

Раздел 1. Основы построения объектов подавления авиационных средств радиоэлектронной борьбы

Тема 3

Радиоприемные устройства

Материал лекции

Рассмотрено на заседании цикла

Протокол №_____________________

От “______”_______________2011 г.

Москва 2011 г.

Занятие 3.2 «Принципы функционирования радиоприемных устройств»

Цель: изучить принципы детектирования принимаемых сигналов и построения автоматических регулировок в приемниках.

Учебные вопросы:

1. Детектирование сигналов.

2. Автоматические регулировки в приёмниках.

1. Детектирование сигналов

Детектирование - процесс преобразования модулированного напряжения несущей (промежуточной) частоты в модулирующее напряжение звуковой, или видеочастоты.

В результате детектиро­вания спектр радиосигнала преобразуется в спектр модулирую­щего сигнала.

Детектор реализует процесс обратный процессу модуляции, поэтому его еще называют демодулятором.

Функциональное предназначение детектора свидетельствует о том, что он осуществляет спектральное преобразование входного сигнала. Сущность этого преобразования заключается в том, что входной модулированный сигнал с узкополосным спектром в области высоких частот преобразуется в выходной модулирующий сигнал со спектром в области низких частот. Поэтому процесс детектирования при любом виде модуляции можно реализовать только с помощью нелинейных или параметрических цепей.

Детекторы, как правило, содержат нелинейный элемент и сглаживающий фильтр. Нелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сигнала, а фильтр низкой частоты (ФНЧ) выделяет необходимые составляющие спектра модулирующего сигнала.

Обобщенная структурная схема детектора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема детектора

В зависимости от вида модуляции различают ампли­тудное, частотное и фазовое детектирование. Устройства, осуще­ствляющие данные преобразования, называют соответственно ам­плитудными, частотными и фазовыми детекторами (соответственно АД, ЧД и ФД). Входные и выходные сигналы АД, ЧД и ФД показаны на рисунке 2, а, б, в.

Р

ис. 2. Входные и выходные сигналы детекторов

Амплитудное детектирование.

Амплитудный детектор (АД) формирует сигнал, по форме совпадающий с огибающей входного амплитудно-модулированного колебания.

Процесс детектирования будем рассматривать для случая однотонального АМ-сигнала:

. (1)

Напомним, что в сигнале (1) - коэффициент амплитудной модуляции, - амплитуда несущего гармонического колебания, - частота модулирующего гармонического колебания, - частота несущих колебаний (может обозначать и промежуточную частоту). Причем .

У радиосигнала амплитуда меняется с течением времени как

, (2)

где: - закон амплитудной модуляции;

- управляющий (модулирующий) сигнал.

Значит, АД должен выделять , а на выход подавать только .

У

прощенная структурная схема АД представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема АД

В состав схемы входят:

- фазовращатель на ;

- два устройства возведения в квадрат (квадраторы, обозначены на схеме (*)²);

- суммирующее устройство (сумматор);

- устройство вычисления квадратного корня (на схеме обозначено );

- разделительный конденсатор .

Принцип работы АД.

На вход АД подаются АМ-колебания (рис. 4, а) на высокой ( ) или на промежуточной частоте ( ). С помощью фазовращателя входной сигнал разделяется на две квадратурные составляющие. Затем каждая из них возводится в квадрат, формируются составляющие вида: и . Для выделения закона изменения амплитуды входного сигнала достаточно две полученные составляющие сложить и взять квадратный корень:

(3)

Часть схемы АД до разделительного конденсатора ( ) называется детектором огибающей (ДО). Использование конденсатора обусловлено необходимостью подавить постоянную составляющую ( ) напряжения на выходе ДО и сформировать только переменную составляющую закона изменения амплитуды АМ-колебания. Сказанное иллюстрируется рисунком 4, б и 4, в.

а)

б)

в)

Рис. 4. Вид напряжений сигналов: а) на входе амплитудного детектора;

б) на выходе детектора огибающей; в) на выходе амплитудного детектора

Как и в других детекторах, в состав АД входит нелинейный элемент и сглаживающий фильтр. В качестве нелинейного элемента как правило используется диод, а в качестве сглаживающего фильтра -цепочка.

Нелинейный элемент осуществляет перенос спектра входного АМ- колеба­ния с частотой на нулевую частоту. При этом симметрично распо­ложенные составляющие переносятся на частоту . При детектировании радиосигнала с шириной спектра (рис. 5, а) формируется сигнал с полосой (рис. 5, б).

Рис. 5. Перенос спектра радиосигнала при амплитудном детекти­ровании:

спектр АМ-радиосигнала (а); спектр сигнала на выходе

амплитудного де­тектора (б)

В зависимости от амлитуды АМ-сигнала и степени нелинейности характеристики детекторного элемента возможны два режима детектирования:

- линейный (вольт-амперная характеристика диода имеет вид ) (для детектирования сигналов высокого уровня) и

- квадратичный (вольт-амперная характеристика диода имеет вид ) (для детектирования слабых сигналов).

Детектирование сигналов с угловой модуляцией.

При детектировании ФМ и ЧМ сигналов они предварительно преобразуются в колебания с АМ и затем детектируются амплитудным детектором. Такое преобразование необходимо потому, что нелинейные элементы реагируют на изменения амплитуды, а не частоты.

Фазовый детектор.

В радиосигналах с ФМ измене­ние приращения фазы повторяет закон модулирующего сигнала (сообщения):

.

Фазовый детектор – это устройство, формирующее выходной сигнал, закон изменения которого соответствует закону изменения фазы входного сигнала.

Для этого в фазовом детекторе производится: перемножение двух сигналов одинаковой частоты:

входного радиосигнала , (4)

опорного колебания (вырабатывается генератором опорного напряжения), и усреднение полученного резуль­тата по времени с помощью фильтра нижних частот.

Обобщенный вид структурной схемы ФД представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Обобщенная структурная схема фазового детектора

Форма записи выходного напряжения ФД меняется для различных условий. Так, если амплитуда опорного колебания постоянна, то выходное напряжение ФД будет определяться выражением

, (5)

где - коэффициент передачи ФД.

Из выражения (5) видно, что выходной сигнал ФД пропорционален косинусу разности фаз подводимых к нелинейному элементу сигналов.

Вообще зависимость от величины разности фаз, действующих на входе напряжений, называется его дискриминационной характеристикой.

Из выражения (5) следует, что напряжение на выходе ФД с точностью до постоянного множителя повторяет закон передаваемого сообщения. Вместе с тем также зависит от амплитуды входного сигнала . Для устранения этой зависимости используются схемы АРУ или ограничители.

Частотный детектор.

В радиосигналах с ЧМ изменение приращения частоты повторяет закон изменения мо­дулирующего сигнала (сообщения), т. е.

. (6)

ЧД предназначен для выделения НЧ модулирующего колебания из входного ЧМ-колебания.

На выхо­де ЧД вырабатывается напряжение , меняющееся во времени сог­ласно модуляционным изменениям мгновенной радио- или проме­жуточной частоты принимаемого сигнала.

Зависимость напряжения от частоты колебаний на вхо­де называется детекторной (дискриминационной) характеристи­кой ЧД .

Частота , при которой напряжение на выходе ЧД рав­но нулю, называется переходной.

Часто дискриминационной ха­рактеристикой ЧД называют зависимость этого напряжения от расстройки , т.е. .

Для линейного участка этой характеристи­ки справедливо соотношение

, (7)

где - коэффициент передачи ЧД.

Для детектирования входного ЧМ-сигнала в частотном детекторе, также как и в фазовом детекторе, этот сигнал преобразуется в АМ-колебания. Эта задача решается с помощью различных линейных цепей и в частности резонансного контура.

На рисунке 7 представлена структурная схема ЧД. Из схемы следует, что ЧД включает в свой состав: два расстроенных контура (это полосовые фильтры ПФ₁ и ПФ₂), нагруженных на амплитудные детекторы АД₁ и АД₂ и вычитающее устройство.

a)

б)

в)

Рис. 7. Частотный детектор (а); амплитудно-частотные характеристи­ки

расстроенных контуров (б); дискриминационная характеристика ЧД (в)

Принцип работы ЧД поясняется графиками, изображенными на рисунке 7, б и на рисунке 7, в.

Полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2 расстроены на величину . Амплитуда напряжения, подавае­мого с контура на амплитудный детектор, зависит от частоты .

Полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2 характеризуются соответствующими АЧХ (рис. 7, б), которые пересекаются в точке переходной частоты . Входной сигнал u_с(t) подается одновременно на оба ПФ, на выходе каждого из которых формируется АМ-сигнал, величина которого зависит от частоты u_с(t).

Сформированные АМ-колебания демодулируются в соответствующих АД и подаются на вычитающее устройство.

В результате, если ЧМ-колебания больше , то и .

При , .

Указанную зависимость от величины расстройки показывает дискриминационная характеристика ЧД.

Исходя из вида последней становится понятным, что ЧД осуществляет демодуляцию входного сигнала без искажений если разность амплитуд напряжений АД₁ и АД₂ будет лежать в пределах линейной части дискриминационной характеристики.

С учетом вида АЧХ ПФ1 и ПФ2 в окрестности точки напряжение на выходе ЧД будет иметь вид: , (8)

где: - коэффициент передачи ЧД

- величина расстройки частоты с течением времени.

Из выражения (8) видно, что на выходе ЧД, выпол­ненного на расстроенных контурах, в пределах ширины дискри­минационной характеристики напряжение повторяет закон изменения частоты ЧМ-радиосигнала.