Детектирование сигналов с угловой модуляцией

 

8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией

 

Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид

,

детектируются фазовыми и частотными детекторами.

Фазовый детектор (ФД) – это устройство, формирующее выходной сигнал, закон изменения которого соответствует закону изменения фазы входного высокочастотного сигнала (рис. 8.27,а).

Частотный детектор (ЧД) – это устройство, формирующее выходной сигнал, закон изменения которого соответствует закону изменения частоты входного высокочастотного сигнала (рис. 8.27,б).

Рис. 8.27. Фазовый (а) и частотный (б) детекторы

 

Известно, что между частотой и фазой гармонического колебания существует следующая зависимость:

и .

Поэтому с помощью частотного детектора можно выполнить фазовое детектирование, если выходной сигнал ЧД проинтегрировать. В свою очередь, с помощью фазового детектора можно выполнить частотное детектирование, если выходной сигнал ФД продифференцировать (рис. 8.28).

Рис. 8.28. Взаимосвязь между фазовым и частотным детекторами

8.7.2. Фазовые детекторы

 

В основу построения фазовых детекторов положено определение разности фаз опорного напряжения и фазомодулированного колебания . Напряжение называют опорным, поскольку отсчет фазы ведется относительно него. Для определения разности фаз осуществляется перемножение этих напряжений с последующим выделением необходимых составляющих фильтром низкой частоты. В качестве перемножителя обычно используют нелинейный элемент (диод, транзистор) с квадратичной характеристикой, благодаря чему в спектре тока этого элемента имеются составляющие, зависящие от разности фаз входных колебаний. Низкочастотный фильтр, связанный с нелинейным элементом, выделяет эти составляющие (рис. 8.29).

 

Рис. 8.29. Структурный состав фазового детектора

 

Схема фазового детектора на диоде и векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования выходного напряжения, приведены на рис. 8.30.

 

Рис. 8.30. Схема фазового детектора

 

Диод и низкочастотный фильтр образуют по существу схему, подобную схеме амплитудного детектора. Схема фазового детектора отличается тем, что на диод воздействует сумма двух напряжений одинаковой частоты: опорного и фазомодулированного, т.е.

.

Выходное напряжение ФД будет равно , где – коэффициент передачи низкочастотного фильтра, – амплитуда суммарного сигнала, воздействующего на диод.

Величину легко определить по векторной диаграмме

.

Тогда .

Зависимость выходного напряжения детектора от разности фаз входных колебаний называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ). Вид характеристики представлен на рис. 8.31.

Рис. 8.31. Амплитудно-фазовая характеристика ФД

 

Недостатком данной схемы фазового детектора является нелинейность АФХ, наличие большого количество спектральных составляющих тока нелинейного элемента (в том числе и постоянной составляющей), которые необходимо отфильтровывать. Поэтому такой ФД используется редко.

Значительно меньше составляющих в спектре тока балансного фазового детектора (рис. 8.32).

Рис. 8.32. Схема балансного фазового детектора

 

Схема состоит по существу из двух детекторов на диодах. Опорное напряжение на диоды поступает в фазе, сигнальное – в противофазе, а выходное напряжение формируется как результат встречного включения выходных напряжений.

Для данной схемы на диоды подаются следующие напряжения:

;

.

Амплитуды этих напряжений определяются выражениями

; .

Тогда напряжение на выходе ФД равно

, .

Таким образом, выходное напряжение детектора зависит не только от разности фаз, но и от амплитуд опорного и сигнального напряжений. На практике ФД работают обычно при соотношениях и .

При выражение для выходного напряжения ФД преобразуется к виду

 

.

В то же время при

 

.

Графики при и приведены на рис. 8.33. При АФК фазового детектора отличается повышенной линейностью.

return false">ссылка скрыта

С позиции спектрального анализа данный факт объясняется тем, что основная часть паразитных составляющих спектра тока нелинейного элемента компенсируют друг друга (в силу противофазности сигнального напряжения на нелинейных элементах и принципа формирования выходного напряжения в виде разности напряжений низкочастотных фильтров на выходе ФД), что повышает результативность фильтрации.

Рис. 8.33. Амплитудно-фазовая характеристики балансного ФД

 

Определенными достоинствами обладает схема фазового детектора на транзисторе (рис. 8.34).

Рис. 8.34. Схема фазового детектора на транзисторе

 

На транзисторе собран усилительный каскад. В коллекторную и эмиттерную цепи транзистора включены нагрузочные сопротивления и , причем . Нелинейные элементы (диоды и ) имеют общую нагрузку, состоящую из фильтра . Резисторы – антипаразитные, резистор предотвращает шунтирование источника опорного напряжения через емкость . С нагрузки усилителя снимаются два напряжения и , равные по величине, но противоположные по знаку. Опорное напряжение подается на диоды в противофазе (с учетом их встречного включения), а напряжения и – в фазе. Поэтому основные принципы функционирования рассматриваемого и балансного детекторов во многом аналогичны. Детектор достаточно широкополосен, работает в диапазоне частот до 30 МГц. Отсутствие в схеме индуктивностей позволяет выполнить ФД в виде интегральных микросхем.

8.7.3. Частотные детекторы

 

Нелинейный элемент проявляет свои свойства при изменении напряжения, поступающего на его вход. При этом он практически не реагирует (в спектральном смысле) на изменения таких его параметров, как частота и фаза. Поэтому непосредственное преобразование частотно-модулированного сигнала с помощью нелинейных элементов не приводит к формированию тока, в спектре которого содержатся составляющие с частотой модулирующего сигнала. Требуются дополнительные преобразования ЧМ-сигнала, чтобы в заключение сформировать сигнал, отражающий характер изменения его частоты.

Наиболее часто процесс частотного детектирования реализуют в два этапа: преобразование ЧМ-сигнала в сигнал с амплитудной модуляцией и последующее его детектирование с помощью амплитудного детектора (рис. 8.35). Ограничитель устраняет влияние возможного изменения амплитуды ЧМ-сигнала на величину выходного напряжения детектора.

Рис. 8.35. Структурная схема частотного детектора

 

Можно встретить частотные детекторы, основанные на преобразовании частотной модуляции в соответствующий сдвиг фаз между двумя колебаниями, которые детектируются фазовым детектором.

Наиболее простой является схема частотного детектора с расстроенным контуром (рис. 8.36).

Рис. 8.36. Схема одноконтурного частотного детектора

 

Усилитель-ограничитель – это резонансный усилитель, транзистор которого работает с пониженным напряжением коллекторного питания. Ограничение происходит за счет нижней и верхней отсечек коллекторного тока. В качестве преобразователя ЧМ-сигнала в колебания с изменяющейся по закону модулирующего сигнала амплитудой служит колебательный контур. Диодный амплитудный детектор на выходе выделяет огибающую этого колебания.

Колебательный контур расстроен относительно несущей частоты входного сигнала на величину , благодаря чему является чувствительным элементом к изменению частоты входного сигнала. Это поясняется рис. 8.37, на котором изображена резонансная характеристика контура по напряжению , изменяющаяся частота входного сигнала и напряжение , характеризующее изменение амплитуды колебаний в контуре.

Рис. 8.37. Преобразование частотной модуляции в амплитудную

 

Как видно из рис. 8.37, колебательный контур обеспечивает формирование колебаний с изменяющейся амплитудой. Закон изменения амплитуды тем точнее повторяет закон изменения частоты входного сигнала (с учетом фазового сдвига на ), чем прямолинейнее боковая ветвь резонансной характеристики контура. Амплитудный детектор выделяет огибающую , формируя выходной сигнал с законом изменения, соответствующим закону частотной модуляции, т.е. сигнал .

Недостатком такой схемы частотного детектора является малый линейный участок резонансной характеристики колебательного контура, что ограничивает возможность детектирования сигналов с большой девиаций частоты. Этот недостаток устраняется в балансных частотных детекторах.

На рис. 8.38,а приведена схема балансного ЧД с двумя параллельными расстроенными контурами.

Контуры расстроены на величину относительно резонансной частоты (или частоты несущего колебания) в обе стороны, т.е. и . Их напряжения подаются на амплитудные детекторы, которые включены встречно. Следовательно, выходное напряжение ЧД будет равно разности выходных напряжений амплитудных детекторов. При этом зависимость выходного напряжения ЧД от частоты входного сигнала при его постоянной амплитуде, называемая амплитудно-частотной характеристикой детектора, будет иметь вид дискриминаторной характеристики (рис. 8.38,б).

Рис. 8.38. Схема балансного ЧД с расстроенными контурами и

его характеристика

 

Особенностью данного ЧД является относительная сложность его настройки с целью обеспечения равенства коэффициентов передачи амплитудных детекторов и параметров усилителей.

Используется также балансный детектор со связанными контурами. Он состоит (рис. 8.39) из усилителя, нагрузкой которого является система двух связанных контуров и . Они образуют двухконтурный полосовой фильтр, настроенный на частоту несущего колебания, с помощью которого осуществляется преобразование частотной модуляции в амплитудную.

Рис.8.39. Схема балансного ЧД со связанными контурами

 

Усилитель работает в режиме амплитудного ограничения. Между контурами установлена индуктивная связь. Кроме того, с помощью сравнительно большой емкости первый контур связан со средней точкой второго контура.

В результате на амплитудные детекторы подаются два напряжения. Напряжение с контура через среднюю точку второго контура поступает на амплитудные детекторы в фазе, а напряжение , передаваемое индуктивной связью, – в противофазе. Таким образом, амплитуды напряжений на диодах и будут равны соответственно

 

и .

 

Напряжение на выходе схемы будет равно

 

.

Особенностью связанных контуров является тот факт, что фазовые соотношения между напряжениями на первом и втором контурах зависят от соотношения частоты поступающего сигнала и резонансной частоты двухконтурного полосового фильтра .

Если , то напряжение на втором контуре отстает от напряжения на первом контуре на . Если , то сопротивление второго контура носит емкостный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах возрастает на величину , где – обобщенная расстройка контура. Если , то сопротивление второго контура носит индуктивный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах уменьшается на величину .

Векторная диаграмма амплитуд сигналов для этих случаев изображена на рис. 8.41.

 

 

Рис. 8.41. Векторные диаграммы балансного ЧД со связанными контурами

 

Следовательно, напряжение на выходе рассматриваемого детектора будет изменяться в зависимости от частоты входного сигнала так, как показано на рис. 8.40.