Амплитудный детектор: Амплитудный детектор (стр. 1 из 2)

Амплитудное детектирование — Студопедия

8.4.1. Общие сведения о детектировании

Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочастотного модулированного колебания в напряжение (или ток), которое изменяется по закону модуляции. Этот процесс реализуют устройства, называемые детекторами.

Детектор формирует на выходе сигнал, закон изменения которого повторяет закон изменения передаваемого модулированным колебанием сообщения. В зависимости от вида модуляции, которая используется передающим устройством (амплитудная, частотная или фазовая), в приемном устройстве выполняется амплитудное, частотное или фазовое детектирование. Детектор реализует процесс, обратный процессу модуляции. Поэтому его называют иногда демодулятором.

Функциональное предназначение детектора свидетельствует, 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.

Структура детектора в случае использования нелинейного элемента представлена на рис. 8.11

, при амплитудной модуляции;

, при фазовой модуляции;

,

при частотной модуляции,

, , — коэффициенты пропорциональности.

Рис. 8.11. Структурная схема детектора

Нелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет необходимые составляющие спектра модулирующего сигнала.

8.4.2. Амплитудный детектор

Амплитудный детектор формирует сигнал, совпадающий по форме с огибающей входного амплитудно-модулированного колебания. Процесс детектирования будем рассматривать для АМ-сигнала с тональной модуляцией, т.е. для входного сигнала вида

.

Выходной сигнал детектора должен быть равен

.

Практическая схема амплитудного детектора приведена на рис. 8.12,а.

Рис. 8.12. Функциональная схема амплитудного детектора и ВАХ диода

В качестве нелинейного элемента используется диод, характеристика которого (рис. 8.12,б) имеет нелинейный (ОА) и линейный (АВ) участки. Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные емкость и сопротивление нагрузки детектора. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики фильтра рассмотрены в п. 5.4.

Физические явления в схеме амплитудного детектора поясним, пользуясь схемой детектора (рис. 8.12,а), графиками входного

и выходного напряжений (рис. 8.13,а).

Рис. 8.13. Входное и выходное напряжения детектора

Входное напряжение приложено к аноду диода. Напряжение на конденсаторе, которое по существу является выходным напряжением, приложено к катоду диода. Через диод протекает ток в том случае, если напряжение на аноде больше, чем напряжение на катоде.

В интервале времени, когда текущее значение напряжения на входе больше, чем напряжение на конденсаторе (от точки до точки , см. рис.8.13,а), диод открыт, через него протекает ток

и конденсатор заряжается этим током (с небольшим отставанием от роста входного напряжения).

В интервале времени, когда текущее значение становится меньше напряжения на конденсаторе (точка , см. рис.8.13,а), потенциал анода диода становится меньше потенциала катода, что приводит к закрытию диода. Конденсатор начинает медленно разряжаться через большое сопротивление фильтра. Процесс разряда продолжается в течение всего времени закрытия диода (до точки ), при этом напряжение на конденсаторе, а значит, и на выходе детектора уменьшается. Начиная с точки

, процесс повторяется.

Внутреннее сопротивление открытого диода значительно меньше сопротивления фильтра. Поэтому заряд конденсатора происходит быстрее, чем разряд, и конденсатор заряжается в каждом полупериоде входного напряжения почти до его амплитудного значения. Следовательно, напряжение на конденсаторе, а значит, и выходное напряжение повторяет по форме огибающую входного сигнала с определенным уровнем пульсаций.

Величина пульсаций определяется качеством фильтрации и зависит от постоянной времени фильтра , т.е. от времени заряда и разряда конденсатора. Для того чтобы детектирование осуществлялось с минимальными искажениями, требуется соблюдение определенного условия, связывающего постоянную времени фильтра с периодом

несущего колебания и периодом модулирующего сигнала. Это условие имеет вид . При несоблюдении хотя бы одного из этих неравенств напряжение на конденсаторе не совпадает по форме с огибающей входного сигнала (рис. 8.13,б)

В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики нелинейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (режим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов). В первом режиме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени. Во втором режиме работа детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию.

а. Квадратичное детектирование

При малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора происходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (рис. 8.14,а), которая с достаточной для практики точностью аппроксимируется полиномом второй степени

.

Рис. 8.14. Квадратичное (а) и линейное (б) детектирование

Если на вход детектора в этом режиме поступает амплитудно-модулированный сигнал вида , то ток нелинейного элемента равен

.

Высокочастотные составляющие с частотами

и не проходят через низкочастотный фильтр на выходе детектора. Полезная информация содержится в низкочастотной составляющей, равной . Пропорциональность данной составляющей квадрату огибающей амплитудно-модулированного сигнала определило название детектора в этом режиме – квадратичный детектор.

Для АМ-сигнала с тональной модуляцией низкочастотная составляющая спектра тока будет равна.

.

В полученном выражении спектральные составляющие расположены в порядке возрастания их частот. Среди них имеется составляющая

с частотой , которая должна быть выделена низкочастотным фильтром.

Для выделения этой составляющей низкочастотный фильтр должен быть узкополосным. Если же модуляция не тональная, и частота модулирующего сигнала изменяется в пределах от до , то фильтр должен иметь полосу пропускания , т.е. быть полосовым низкочастотным фильтром.

Постоянная составляющая тока отфильтровывается с помощью разделительного конденсатора, включаемого последовательно в цепь после детектора. Составляющая с частотой

обусловливает нелинейные искажения полезного сигнала, которые тем больше, чем больше коэффициент модуляции и меньше постоянная времени фильтра.

Степень нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений, который определяется выражением

,

где – амплитуды гармонических составляющих тока нелинейного элемента.

В рассматриваемом случае .

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений квадратичного детектора при детектировании АМ-сигнала с тональной модуляцией зависит от коэффициента модуляции . Для малых коэффициент нелинейных искажений невелик, для он может достичь величины 0,25, что представляет собой значительную величину. Уменьшение глубины модуляции с целью снижения искажений не выгодно с энергетической точки зрения.

При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектр тока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низкочастотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтром низкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал детектора при работе в режиме слабых сигналов пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала. Именно поэтому, а также из-за значительных нелинейных искажений избегают такого режима детектирования в приемных трактах, применяя усиление до детектора.

В случае необходимости детектирования слабых сигналов применяют детекторы, построенные на основе операционных усилителей (ОУ).

Такие детекторы (рис. 8.15,а) выполняют операции детектирования и усиления. Операционный усилитель инвертирует и усиливает входное напряжение. Поэтому во время положительных полупериодов диод открыт, а диод закрыт. Благодаря этому, напряжение , а выходное напряжение усилителя отсутствует, т.е. . Во время отрицательных полупериодов диод закрыт, а диод открыт. При этом выходное напряжение усилителя равно . Оно представляет собой инвертированные и усиленные отрицательные полупериоды входного напряжения (рис. 8.15,б).

Рис. 8.15. Амплитудный детектор на ОУ

Если на вход детектора поступает напряжение АМ-сигнала, то в спектре имеются низкочастотные составляющие, которые обеспечивают формирование на выходе низкочастотного фильтра сигнал , по форме совпадающий с модулирующим сигналом.

б. Линейное детектирование

Нелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могут быть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейной части характеристики диода. При этом принципиальная схема линейного детектора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитуда входного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочий участок располагался на линейном участке характеристики нелинейного элемента (см. рис. 8.14,б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода.

Как видно из рисунка, ток диода представляет собой периодическую последовательность импульсов, модулированных по амплитуде. Напряжение на выходе детектора создается только постоянной составляющей тока, которая в данном случае не будет постоянной в полном смысле этого слова. Она будет изменяться по закону модуляции входного сигнала. Таким образом, выходной сигнала детектора будет равен

.

.

Учитывая, что входной АМ-сигнал равен и при условии, что угол отсечки является постоянной величиной (это будет показано ниже), получаем

, (8.2)

или .

Таким образом, выходное напряжение детектора в этом режиме линейно зависит от амплитуды входного сигнала, если угол отсечки – постоянная величина. Отсюда и название детектора – линейный детектор.

Покажем, что величина угла отсечки определяется только параметрами детектора и не зависит от амплитуды входного сигнала.

Известно, что

, .

Учитывая (8.2), получаем

. (8.3)

В свою очередь, . Отсюда

. (8.4)

Приравняв (8.3) и (8.4) и разделив правую и левую часть на , получаем

. (8.5)

Крутизна ВАХ диода – это по существу величина, обратная внутреннему сопротивлению открытого диода. Таким образом, данное уравнение позволяет определить графическую зависимость отношения от угла отсечки (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Влияние угла отсечки на выбор сопротивлений и

Из графиков и полученного выражения следует, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала. Его величина определяется только величиной произведения . Чем меньше угол отсечки, тем больше отношение . Данный результат используется для определения параметров фильтра и диода.

Урок 10

 

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Процесс получения напряжения (тока), изменяющегося по закону модуляции, из модулированного напряжения высокой частоты назы­вается детектированием. В зависимости от вида модуляции: амплитуд­ной, частотной или фазовой, используемой на передающей радиостан­ции, в детекторном каскаде радиоприемника должно осуществляться соответственно амплитудное, частотное или фазовое детектирование.

 

АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

 

Амплитудные детекторы предназначены для преобразования радио­сигнала, модулированного по амплитуде (АМС), в напряжение, ме­няющееся по закону модуляции. Они применяются как основные детек­торы принимаемого сигнала, а также как детекторы вспомогательных устройств автоматических регулировок усиления и являются состав­ной частью фазовых и частотных детекторов.

Амплитудное детектирование осуществляется в нелинейных систе­мах, которые состоят из резистивного нелинейного элемента, чаще всего полупроводникового или (реже) вакуумного диода и линейной пассивной цепи z, являющейся нагрузкой детектора.

 

Принцип действия амплитудного детектора.

 

 Представим детектор в виде четырехполюсника (рис. 13.1, а), на входе которого действует высокочастотное амплитудно-модулированное (AM) напряжение Uвx (рис. 13.1, б). В результате детектирования это напряжение на выходе детектора будет представлять собой пульсирующее напряжение, со­держащее постоянную U₀ и переменную U_Fм составляющие (рис. 13.1, в). Форма последней составляющей должна соответствовать форме оги­бающей входного высокочастотного модулированного напряжения. Процесс детектирования сходен с процессом выпрямления, разница лишь в том, что выпрямленное напряжение на выходе детектора должно сохранять закон изменения амплитуды входного сигнала. Модулированное высокочастотное напряжение на входе детектора есть совокупность трех колебаний с частотами f₀, f₀ — F_м и     f₀ + F_M. На входе детектора действует спектр частот, границы которого определяются частотами f₀ + F_Mmax и f₀— F_Мmax, при этом ширина полосы частот будет равна двум максимальным частотам модуляции: П = 2F_Mmax.

На выходе детектора, как видно из рис. 13.1, в, оказываются составляющая модулирующего сигнала и постоянная составляющая.

Ширина спектра частот выходного сигнала по сравнению с входным сигналом уменьшается вдвое и равна F_мmax. Такое изменение спектра час­тот на выходе детектора может быть при использовании в качестве детек­тора нелинейной системы, так как линейная система, в которой измене­ние тока в зависимости от изменения напряжения подчинено закону Ома, не способна создавать токи других частот. На рис. 13.2 приведена схема диодного амплитудного детектора, в которой нелинейным элемен­том является полупроводниковый диод Д, а нагрузкой диода — параллельная цепь, состоящая из резистора Rн и конденсатора Сн. Нa нагрузке выделяется напряжение звуковой частоты, подаваемое далее на вход усилителя низкой частоты. Емкость конденсатора Сн выбирают такой, чтобы его сопротивление току промежуточной частоты было во много раз меньше сопротивления нагрузки детек-тора R_H, а его сопротивление току низкой (звуковой) частоты —значительно больше сопротивления резистора Rн.

Полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными имеют большую крутизну прямой ветви вольт-амперной характеристики при малых амплитудах подводимого напряжения. Достоинством таких диодов является отсутствие цепей накала и расход мощности на накал, большой срок службы, небольшие размеры и масса, малая собственная емкость. Но они имеют и некоторые недостатки: наличие обратной проводимости, нестабильность характеристики и разброс параметров для различных экземпляров диодов одного и того же типа. Кроме полупроводниковых и вакуумных диодов в амплитудных детекторах могут применяться транзисторы и электронные лампы. Детекторы с такими приборами более сложны и дороги и, кроме того, создают большие искажения сигнала, хотя некоторые из них в отличие от диод­ных детекторов имеют коэффициент передачи напряжения больше единицы. Поэтому в современных приемниках в основном применяются диодные полупроводниковые детекторы.

Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристи­кой. На рис. 13.3, а показана реальная вольт-амперная характери­стика полупроводникового диода. На начальном участке зависимость

тока диода от приложенного к нему напряжения имеет экспоненциаль­ный характер и достаточно точно описывается уравнением

i_д = I₀(е^аи-1),

где I₀ и а — параметры, зависящие от типа диода. При большем токе вольт-амперная характеристика реальных диодов постепенно прибли­жается к линейной. Учет экспоненциального изменения проводимо­сти диода при изменении амплитуды сигнала делает анализ работы детектора очень сложным. Поэтому реальную характеристику диода при входном напряжении, большем 0,2 В, можно заменить идеализи­рованной (рис. 13.3, б) без учета обратного тока, так как у современ­ных полупроводниковых диодов обратная проводимость на 2—3 по­рядка меньше прямой проводимости.

Вначале рассмотрим работу диодного детектора при подаче на его вход смодулированного напряжения высокой (промежуточной) ча­стоты. Входной контур (см. рис. 13.2) L_KC_K настроен на частоту вход­ного сигнала. На зажимах А Б катушки L_CB действует напряжение сигнала высокой частоты. Под действием этого напряжения в цепи диода создаются импульсы тока.

Рассмотрим работу диодного детектора с помощью графиков рис. 13.4, а—г, предполагая, что на входе детектора действует немо-дулированное напряжение, как это показано на рис. 13.4, а.

В промежутки времени от t₁ до t₂ (рис. 13.4, г) ток через диод i_зар заряжает конденсатор С_н, напряжение на котором будет увеличиваться. В следующую часть периода напряжение на аноде диода отрицатель­ное и ток через диод практически прекращается, и конденсатор раз­ряжается (ток i_разр) через резистор R_н. Для детекторов радиосигналов

принимается условие, что RнCн >> Tnp (постоянная времени нагрузки детектора значительно больше периода промежуточной частоты). По­этому напряжение на конденсаторе за время его разряда уменьшится незначительно. За часть следующего полупериода, когда входное напряжение снова положительно, через диод опять течет ток, увели­чивающий напряжение на конденсаторе. Затем напряжение на кон­денсаторе снова несколько уменьшается. В цепи нагрузки существует динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения на конденсаторе оказывается равным его уменьшению. Эти колебания напряжения на нагрузке при выполнении неравенства RнCн >> Тпр оказываются очень малыми. Поэтому в цепи диода течет ток i₀ и на­пряжение на нагрузке R_н будет содержать большую постоянную со­ставляющую U₀ и очень малую переменную составляющую высокой частоты. Постоянное напряжение, как это видно из рис. 13.2, приложено к диоду, при этом на его аноде относительно катода приложено запирающее напряжение. За счет этого ось времени сдвигается влево в область отрицательных значений на величину U₀ (рис. 13.4, а), Если на вход детектора будет подан модулированный сигнал mU_mω то напряжение U₀ будет изменяться в соответствии с законом модуля­ции, т. е. с увеличением амплитуды входного сигнала будет увеличи­ваться по сравнению с U₀, а при уменьшении амплитуды — станет меньше U₀. Так как между напряжениями U₀ и U_m существует линей­ная зависимость, то напряжение U₀ будет изменяться по тому же закону, что и огибающая входного сигнала, так как постоянная со­ставляющая тока диода I₀ будет изменяться по закону модуляции. Этот ток создает на нагрузке R_н падение напряжения, изменяющееся по закону модуляции U_н = U_Cн = U₀ (1 + m cos Ωt).

 

Основные качественные показатели детектора.

 

 К основным каче­ственным показателям детектора относятся: коэффициент передачи K_d входное сопротивление R_вхd; нелинейные и частотные искажения сигнала К_г, %’, Мв; коэффициент фильтрации К_ф:

K_d = U₀ /  U_mm       (13.1)

При действии на входе детектора немодулированного ВЧ-сигнала коэффициент передачи детектора равен отношению постоянной состав­ляющей на нагрузке детектора к амплитуде ВЧ-сигнала:

K_d = U₀/U_m. (13.2)

Коэффициент передачи детектора желательно иметь как можно больше. У диодных детекторов он меньше единицы и равен 0,3—0,6 в за­висимости от типа детектора и его режима работы.

Входное сопротивление R_вх определяется как отношение амплитуды высокочастотного напряжения (промежуточной частоты) на входе детектора к амплитуде первой гармоники тока, протекающего через диод:

R_вхd = U_вх/ I_вх1           (13.3)

Так как детектор подключается к контуру УПЧ, то для уменьше­ния влияния входного сопротивления детектора на его добротность входное сопротивление детектора должно быть как можно больше.

Нелинейные искажения в детекторе возникают вследствие инерционности процессов в нем, из-за нелинейности детекторной характеристики и за счет влияния разделительного конденсатора на выходе детектора, связывающего его с УНЧ.

Частотные   искажения   в   детекторе   обусловливаются   емкостью конденсатора нагрузки Сн, включаемого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Частотные искажения происходят в детекторе только в области верхних частот.

Коэффициент фильтрации Кф показывает, во сколько раз ослаб­ляется высокочастотное напряжение на выходе детектора по сравне­нию с напряжением высокой частоты на входе:

К_ф = U_вхВЧ/U_выхВЧ.        (13.4)

Значение К_ф должно быть не менее 5.

 

Схемы диодных детекторов.

 

 В радиоприемных устройствах при­меняются последовательная и параллельная схемы диодного детек­тора.  Схема  последовательного детектора  (рис.   13.5)  применяется

в основных детекторных каскадах приемника. Последователь­ной схема называется потому, что диод Д и нагрузка детектора под­ключены к источнику сигнала последовательно. Сопротивление наг­рузки детектора Rн часто делится на две части — на резисторы R_нl и R_н2. Соответственно делится на две части и емкость нагрузки С_н — конденсатор С_н1 и С_н2. Это делается для уменьшения искажений, вно­симых детекторным каскадом, и улучшения фильтрации переменной составляющей промежуточной частоты. С резистора R_н2, напряжение низкой частоты подается на вход УНЧ. Для того чтобы постоянная составляющая напряжения U_0, выделяющаяся на резисторе R_н2, не подавалась на базу транзистора УНЧ и этим самым не нарушала его режима работы, включается разделительный конденсатор С_Разд, который для переменной составляющей звуковой частоты представляет малое сопротивление.

На рис. 13.6 приведена схема параллельного детектора. Его основ­ное отличие от последовательного заключается в том, что диод и резис­тор  нагрузки  R_н для  токов  промежуточной частоты оказываются

включенными параллельно источнику сигнала. Поэтому высокочас­тотное напряжение U_пр оказывается приложенным не только к диоду Д, но и к резистору нагрузки R_н. В результате высокочастотное напряже­ние оказывается приложенным к выходу детектора. Для ослабления этого напряжения применяется фильтр R_фС_ф.

Конденсатор С_н в этой схеме включается последовательно в цепь источника сигнала.

Входное сопротивление параллельного детектора меньше, чем последовательного, за счет того, что нагрузочный резистор R_н для токов промежуточной частоты оказывается как бы включенным параллельно входному сопротивлению последовательного детектора. Принцип дей­ствия параллельного детектора такой же, как и последовательного.

 

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

ваемым сообщением x(t).

5.1. Общиесведения

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала.

Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов заключается в воспроизведении модулирующего сообщения x(t) с наименьшими искажениями. В аналитической форме АМ-сигнал имеет вид

uc(t) = ua(t)cos(ωct),

(5.1)

где ua(t) = Uc[1 + max(t)], ma ≤ 1 – коэффициент глубины модуляции; Uc – ам-

плитуда несущего колебания с частотой ωc. Спектр сообщения x(t) сосредоточен в области низких частот (частот модуляции), а спектр сигнала uc(t) – в области частоты ωc, значение которой обычно намного превышает значение наивысшей частоты модуляции. Преобразование спектра при демодуляции возможно только в устройствах, выполняющих нелинейное или параметрическое преобразование входного сигнала uc(t).

При использовании нелинейного устройства, обладающего квадратичной вольт-амперной характеристикой, выходной ток имеет вид

i = Bu2	(t) = Bu2	(t)[0,5 + 0,5cos(2ω t)],	(5.2)
c	a	c

где В – постоянный коэффициент. После устранения фильтром низких частот (ФНЧ) составляющей с частотой 2ωc получим

i = 0,5BU 2	[1	+ 2m x(t) + m2 x2		(t)].	(5.3)
c		a	a

В этом токе содержится составляющая вида BUc2ma x(t) , пропорцио-

нальная передаваемому сообщению, а также составляющая 0,5BUc2ma2 x2 (t) ,

которая обуславливает степень нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t).

Параметрическое преобразование осуществляется путем умножения uc(t) на опорное колебание, имеющее вид u0(t) = U0cos(ωct). В этом случае результат перемножения определяется следующим выражением:

uc(t)u0(t) = ua(t)U0 [0,5 + 0,5cos(2ωct)].

(5.4)

Составляющая с частотой 2ωc устраняется ФНЧ, и в результате формируется низкочастотный сигнал вида 0,5U0ua(t). Отделяя постоянную со-

ставляющую 0,5U0Uc, например, при помощи разделительного конденсатора, получаем сигнал вида 0,5U0Ucmax(t), форма которого определяется переда-

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-82-

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.2.Основныехарактеристики

ипараметрыамплитудногодетектора

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей U= выходного напряжения от изменения амплитуды Uс немодулированного сигнала uc(t) = Uccos(ωct). Уровень нелинейных искаже-

ний, имеющих место при детектировании, определяется видом детекторной характеристики. По детекторной характеристике можно установить диапазон изменения амплитуды ua(t) модулированного сигнала (5.1), при котором нелинейные искажения модулирующего сообщения x(t) не будут превышать определенного предела.

Крутизна детекторной характеристики рассчитывается как произ-

водная:

SАД = dU= ,

dUc

является безразмерной величиной и по аналогии с показателями любого усилительного узла характеризует передаточные свойства детектора.

Коэффициент нелинейных искажений – численная мера нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t) при гармонической модуляции с

частотой Ω = 2πF:

kн = U22Ω +U32Ω + +Un2Ω U1Ω ,

где UnΩ – амплитуда колебания с частотойnΩ на выходе амплитудного детекто-

ра.

Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется при гармонической модуляции с частотой Ω отношением

kΩ =UΩ maUc ,

где UΩ – амплитуда колебания с частотойΩ на выходе амплитудного детектора. Частотная характеристика является зависимостью коэффициента

передачи амплитудного детектора от частоты модуляции: kΩ = f(Ω). Коэффициент фильтрации амплитудного детектора задается отношени-

ем

kô =Uc Uω ,

где Uω – амплитуда первой гармоники высокочастотного колебания на выходе амплитудного детектора.

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-83-

5.АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.3.Принципдействия

ихарактеристикидиодногодетектора

Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 5.1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал uc(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора Сн и резистора Rн, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание uвых(t).

Значение тока через диод ig для режима покоя uc(t) = 0 может быть найдено из уравнений

ig = f (ug ),
	u
		g		(5.5)
ig = −			,
	Ri

где Ug – напряжение на диоде VD (см. рис. 5.1).

Первое уравнение – это уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ форма тока через диод ig при синусоидальной форме сигнала uc(t) не является синусоидальной. В токе появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, создает падение напряжения U=, смещающее положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки возрастает и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод при положительных значениях входного напряжения.

VD

uc(t	L	ug	U	u (
				вых
)	C		= R	C t)
			н	н

Рис. 5.1. Принципиальная схема амплитудного диодного детектора

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-84-

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора

	ig=f		i
			g
U(2		I=(2
U=(1			I=(1
			t

(1

Uc

t

Uc(2

t

Рис. 5.2. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

На рис. 5.2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc(1) < Uc(2). Тогда постоянные составляющие напряжений U=(1) < U=(2) и I=(1) < I=(2). На этом же рисунке условно изображена зависимость ig = f(t).

Вольт-амперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

ig = Iоб(eug (t) ϕT −1) ,

(5.6)

где Iоб – абсолютное значение величины обратного тока диода; φΤ – темпера-

турный потенциал, равный 26 мВ при Т = 300 Κ. Полагая напряжение на диоде равным ug(t) = ua(t)cos(ωct) – U= , подставляя ug(t) в выражение (4.6) и раскладывая в ряд по функциям Бесселя Jk, получаем

		∞
ig = Iоб e−U= ϕT J0 (ua (t)		ϕT )+ 2∑Jk (ua (t)	ϕT )co skωct	−1 . (5.7)
		k=1

Выделим в выражении (5.7) компоненты токов – постоянный I=, переменный Iω с частотой ωc, переменный I2ω с частотой 2ωc:

I

=

= I

e−U= ϕT J

0

(u

(t)

ϕ

)−1

,

об

a

T

I

ω

=

2I

об

e−U= ϕT J

1

(u

(t)

ϕ

),

(5.8)

a

T

I

=2I e-U=

jT J

(u (t) ϕ

).

2обω

2

a

T

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-85-

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора

U=

x(t)

t

Uc

Uc(1) Uc(2) Uc(3)

Рис. 5.3. Детекторная характеристика диодного детектора

Как уже отмечалось, зависимость постоянной составляющей U= от амплитуды приложенного напряжения Uc называется детекторной характери-

стикой (рис. 5.3).

Из выражений (5.8) и (5.1) следует, что при x(t) = 0 детекторная характеристика может быть записана в виде

U	=	= −I	R e−U= ϕT J	0	(u	(t)	ϕ	)−1 .	(5.9)
			об н		a		T

Анализ выражения (5.9) позволяет сделать два основных вывода:

с увеличением Rн возрастает крутизна детекторной характеристи-

ки;

 с увеличением уровня сигнала уменьшается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора: детектирование «слабых» сигналов и детектирование «сильных» сигналов.

В режиме «слабых» сигналов, представив функцию J0(ua(t)/φT) в виде ряда, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т. е.

	=	c	[	a	]
U		= AU 2	1	+ m x(t) 2 ,		(5.10)

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен

k		=	AU 2	0,5m2		=	m	(5.11)
	í		c	2	a		a .
			AU		2m		4
				c	a

Допустимое значение kн, например в системах радиовещания, не превышает нескольких процентов (kн ≤ 5 %), что налагает ограничения на допус-

тимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-86-

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора

характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

uвых(t

2 2

(uвых)max U= = (uвыхπ)m

ωct 2π

Рис. 5.4. Форма выходного напряжения диодного детектора

В режиме «сильных» сигналов вольт-амперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью ig = f(Ug) (5.5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на аноде диода из-за значительной величины U=, т. е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда Uc −U= > 0 . На рис. 5.4 пока-

зан угол отсечкиθ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (см. рис. 5.1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резистор Rн.

Полагая, что uc(t) = Uccosωct, ток открытого диода можно определить по выражению

		,	(5.12)
ig = S (Uc cos(ωct) −U= )= SUc cos(ωc (t) −U=
	Uc

где U= Uc = cosθ – косинус угла отсечки, S – крутизна вольт-амперной ха-

рактеристики на рабочем участке.

Интегрируя выражение (5.12) на интервале [0,2; π], можно получить выражение для U= в виде

U= =	SUcRi (sin θ−θcosθ).	(5.13)
	π

Учитывая, что U= Uc = cosθ, для малых значений угла θ получаем

	θ ≈ 3		3π		,	(5.14)
			SR
			í

т. е. угол отсечки определяется лишь значениями S и Rн и не зависит от величины Uc.

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-87-

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора

Для амплитудно-модулированного сигнала имеем
uвых(t) = cosθ Uc[1 + ma x(t)] = Uccosθ + maUc x(t)cosθ,	(5.15)

т. е., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором.

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

1. Нелинейностью начального участка вольт-амперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤ Uc ≤ Uc(1) на рис. 5.2, необходимо вы-

бирать значение Uc исходя из неравенства

U		≥	U (1)
	c		c	.	(5.16)
			1− m
			a

2. Различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному

токам. При использовании усилителя с входным сопротивлениемRУНЧ ≥ (5–10)Rн

и выборе величины емкости разделительного конденсатораCp, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению сRУНЧ, из условия

Cp >		1	,	(5.17)
	Ω	R
		minУНЧ

где Ωmin – минимальная частота модулирующего сигнала, этим видом нелинейных искажений можно пренебречь.

3. Нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора Cн. При
этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U= и ua(t). В моменты
времени, когда ua(t) < U=, конденсатор Cн					будет разряжаться через резистор
Rн по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень не-
линейных искажений этого вида обеспечивается при условии
				1− m2
R C Ω	max	≤			a		,	(5.18)
н н				ma

где Ωmax – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитуд-

ного детектора величина емкости конденсатораCн выбирается из условия

	1	<< R ,	(5.19)
	ω C
		н
	cн

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением

где rg – сопротивление диода в открытом состоянии.

 Устройства приема и обработки сигналов. Лаб. практикум

-88-

Амплитудный детектор радиосигналов

Амплитудный детектор – устройство, предназначенное для выделения выходного напряжения, повторяющего закон амплитудно-модулированного входного сигнала, содержащего полезную информацию. Операция детектирования может быть реализована либо при использовании цепей с периодически изменяющимися параметрами (синхронный детектор), либо путем применения нелинейных элементов (рис. 4.33).

Рис. 4.33  Обобщенная схема амплитудного детектора

При использовании в качестве детектора нелинейный элемент, на вход которого действует сигнал (рис. 4.34),

. (4.0)

Вследствие нелинейности НЭ входной и выходной токи представляют сумму постоянной и гармонических составляющих

(4.0)

Постоянная составляющая выходного тока повторяет закон модуляции сигнала

.

Рис. 4.34  Форма входного и выходного сигнала АМ-детектора

Напряжение сигнала постоянной составляющей и закона модуляции выделяется на нагрузке детектора и имеет вид

. (4.0)

Аналогично можно получить и для более сложных сигналов.

Основные технические характеристики детектора АМ-сиг-нала включают:

— точность воспроизведения закона модуляции, оцениваемая коэффициентом гармоник

;

— эффективность детектирования (коэффициент передачи):

;

для немодулированного сигнала , для АМ-сигнала;

— неравномерность АЧХ;

— влияние сопротивления детектора на технические характеристики последнего каскада УПЧ.

3. Детектор радиоимпульсных сигналов

При обработке последовательности радиоимпульсных сигналов различают два режима: импульсного и пикового детектирования. Импульсное детектирование необходимо для выделения огибающей одиночного радиоимпульса (рис. 4.35, б), а пиковое – для выделения огибающей последовательности радиоимпульсов (рис. 4.35, в). Для детектирования могут быть использованы детекторы АМ-колебаний (рис. 4.33). На рисунке 4.35 представлены эпюры напряжения на входе детектора (а), на выходе импульсного (б) и пикового детектора (г).

Однако для различных режимов детектирования необходимо выполнять определенные требования, предъявляемые к нагрузке детектора. Для обеспечения режима импульсного детектирования необходимо воспроизвести огибающую импульса, несущую информацию о продолжительности или о временном его положении. Постоянная времени нагрузки импульсного детектора должна удовлетворять условию [1]

,

где T_Н – период несущего колебания;

_И – длительность импульса.

Рис. 4.35  Диаграммы работы детектора радиоимпульсных сигналов на входе (а), в режимах импульсного (б) и пикового детектирования (в, г)

Пиковые детекторы воспроизводят закон изменения амплитуд последовательности радиоимпульсов

,

где T – период следования импульсов;

–период модуляции.

При двукратном детектировании сигнал преобразуется в видеоимпульсы, которые после усиления подаются на вход пикового детектора, выделяющего огибающую радиосигнала (рис. 4.35, г).

4. Детектор частотно-модулированных сигналов

Детектор частотно-модулированных сигналов предназначен для преобразования высокочастотного напряжения, модулированного по частоте, в напряжение, пропорциональное величине отклонения несущей от ее центрального положения.

Широкое применение ЧМ-сигналов вызвано многими отличительными особенностями: лучшее использование мощности передатчика, более высокая помехоустойчивость. Однако достаточно широкая эффективная полоса спектра ограничивает сферу применения в диапазоне длинных и средних волн. Обычно приемники ЧМ-сигналов используются в диапазоне УКВ и выше.

При гармонической ЧМ с частотой модуляции мгновенное значение частоты имеет вид

,

где – несущая частота,

–девиация (наибольшее отклонение) частоты.

Отсюда фаза

и напряжение ЧМ-сигнала

,

где – индекс модуляции.

При проектировании приемников ЧМ-сигналов следует отметить, что структурная схема приемника не отличается от обычного супергетеродинного или другого типа. Единственное отличие от радиоприемников, предназначенных для приема АМ-коле-баний – использование ограничителей амплитуды с целью подавления сопутствующей амплитудной модуляции.

Рис. 4.36  Амплитудная характеристика ограничителя амплитуды

Частотные детекторы предназначены для преобразования высокочастотного напряжения, модулированного по частоте, в напряжение, изменяющееся по закону модуляции. Детектирование сигнала производится в 2 этапа: преобразование вида модуляции к удобному виду для детектирования, затем – детектирование. По типу детектирования ЧД делятся на 4 группы: частотно-амплитудные (рис. 4.37), частотно-фазовые (рис. 4.38), частотно-импульсные (рис. 4.39) и детекторы на основе фазовой автоподстройки частоты (синхронные детекторы).

Рис. 4.37  Структурная схема частотно-амплитудных детекторов (а) и временные диаграммы напряжений на входе выходе ее элементов (г)

Рис. 4.38  Структурная схема частотно-фазовых детекторов (а) и временные диаграммы напряжений на входе-выходе ее элементов (б)

Рис. 4.39  Структурная схема частотно-импульсных детекторов (а) и временные диаграммы напряжений на выходе ее элементов (б)

На практике наиболее широкое распространение получили частотно-амплитудные детекторы.

Требования к техническим показателям ЧД определяются их назначением:

Точность воспроизведения закона модуляции (k_г). Величина коэффициента гармоник не должна превышать 1…2%. Первое условие малого коэффициента гармоник – линейная фазочастотная зависимость статической детекторной характеристики.

Рис. 4.40  Статическая характеристика частотного детектора

Эффективность детектирования определяется крутизной СДХ в линейной области .

Оценка степени подавления АМ входного сигнала. Это оценивается с помощью остаточного выходного напряжения, обусловленного АМ. Зависимость этого напряжения от частоты несущей АМ входного сигнала – характеристика подавления АМ:

.

Требования к неравномерности АЧХ, величине фазовых искажений и фильтрации высокочастотного напряжения оценивается, как и для случая с АМ, – детектором. Кроме этого, в ряде случаев необходимо обеспечивать компенсацию вводимых в передатчике предыскажений.

Исследование работы амплитудного детектора — МегаЛекции

Цель работы:1. Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями о детектировании модулированных колебаний и с принципиальной схемой амплитудного детектора.

2. Проконтролировать работу диодного амплитудного детектора.

 

Краткие теоретические сведения.

Процесс получения напряжения, изменяющегося по закону модуляции, из модулированного напряжения высокой частоты называется детектированием.В зависимости от вида модуляции, используемой на передающей радиостанции, в детекторном каскаде радиоприёмника должно осуществляться соответствующее детектирование – амплитудное, частотное или фазовое.

 

Амплитудный детектор.

Амплитудные детекторы предназначены для преобразования радиосигнала, модулированного по амплитуде, в напряжение, меняющееся по закону модулирующего (управляющего) сигнала (колебания). Амплитудное детектирование осуществляется в нелинейных системах, которые состоят из полупроводникового диода и нагрузки детектора (Рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема амплитудного детектора.

На этом рисунке: С1, L1 – колебательный контур усилителя промежуточной частоты; L2 – катушка связи детектора с контуром УПЧ; VD1 – детектирующий диод; С2 – конденсатор фильтра нижних частот; R1 – нагрузка детектора.

 

При подаче на вход детектора модулированного высокочастотного колебания на его выходе будет действовать пульсирующее напряжение, содержащее постоянную составляющую U0 и переменную составляющую UFполезного сигнала. Рис. 2.

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие процесс детектирования амплитудно-модулированного колебания.

 

Процесс детектирования сходен с процессом выпрямления, разница лишь в том, что выпрямленное напряжение на выходе детектора должно сохранять закон изменения амплитуды входного сигнала. С этой целью параметры фильтра нижних частот выбирают таким образом, чтобы высокочастотная составляющая выходного сигнала надёжно (полностью) устранялась, а низкочастотная составляющая – не ослаблялась. Очевидно частота модулируемого (несущего) колебания должна быть во много раз выше частоты модулирующего колебания. При выполнении этого условия достаточно одного звена фильтра нижних частот.

Принципиальная электрическая схема амплитудного детектора, построенная в программе схемотехнического моделирования, приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Электрическая схема исследования амплитудного детектора.

 

Здесь детекторный каскад связан с источником амплитудно-модулированного напряжения V1 посредством трансформатора Т1. Резистор R1 является эквивалентом внутреннего сопротивления источника колебаний. Высокочастотное напряжение с вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает на диод D1, где происходит однополупериодное выпрямление. Затем выпрямленное напряжение подвергается фильтрации с помощью двухзвенного фильтра нижних частот.

Постоянная времени фильтра выбирается такой, чтобы устранить

 

изменения выходного сигнала с частотой несущего колебания, но в то же время, по возможности, не ослаблять напряжение модулирующего колебания низкой частоты.

В приведённой схеме применён двухзвенный RC фильтр R3 C1 и R4 C2. Нагрузкой детектора является резистор R5, с которого выделенное детектором низкочастотное напряжение поступает на следующий каскад радиоприёмника. Необходимость применения двухзвенного фильтра объясняется небольшой разницей частот несущего (1000 Гц) и модулирующего (100 Гц) колебаний. На выходе первого звена фильтра напряжение ещё содержит небольшую по амплитуде высокочастотную составляющую. В радиовещательных приёмниках достаточно одного звена фильтра. Источник постоянного напряжения V2 необходим для компенсации порогового напряжения полупроводникового диода D1. При отсутствии этого источника в значительной степени уменьшается амплитуда выходного напряжения, и возрастают нелинейные искажения сигнала.

 

Принцип работы рассмотренной схемы (Рис. 3) амплитудного детектора поясняются временными диаграммами напряжений в различных точках её. Эти диаграммы приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов в контрольных точках схемы.

 

Предложенная вашему вниманию схема используется в лабораторной работе по изучению принципа действия диодного амплитудного детектора. В реальных схемах радиоприёмников такой источник постоянного напряжения отсутствует, т.к. там применяются германиевые детекторные диоды, обладающие незначительным пороговым напряжением. Кроме диодного детектора амплитудно-модулированных колебаний существуют и другие редко применяемые схемы.

 

---

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Детекторы сигналов с частотной модуляцией (ЧМ)

 

Детектирование ЧМ-сигналов может производиться с помощью описанных выше схем АМ-детекторов после преобразования изменения частоты в изменение амплитуды.

Для этого преобразования могут использоваться любые цепи с линейно изменяющейся АЧХ, например, \(LC\)-контур, расстроенный относительно частоты ЧМ сигнала так, что середина левого или правого ската его АЧХ совпадает с несущей частотой сигнала. Упрощенная схема и диаграммы работы ЧМ-детектора с такой цепью приведены на рис. 3.6-8.

 

Рис. 3.6-8. Упрощенная схема ЧМ-детектора с одиночным контуром (а) и диаграммы его работы (б)

 

Для улучшения характеристик детектора вместо одиночного контура может использоваться сбалансированная пара \(LC\)-контуров (рис. 3.6-9). Детектор содержит два резонансных контура, два диода и два фильтра НЧ, выполненных на \(RC\)-цепочках. Резонансные контуры несколько расстроены относительно несущей частоты ЧМ сигнала.

 

Рис. 3.6-9. Упрощенная схема ЧМ-детектора с двумя контурами (а) и диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Заметим, что исходный ЧМ-сигнал перед подачей на детектор должен проходить через двусторонний ограничитель напряжения для устранения паразитной амплитудной модуляции, присутствующей в нем из-за действия помех и неравномерности АЧХ каскадов предварительного усиления.

Описанные простейшие решения ЧМ-детекторов имеют достаточно ограниченное применение. Шире известны т.н. детектор-дискриминатор и дробный детектор (детектор отношений), в них схемы включения входных контуров и детектирующих диодов несколько сложнее, но обеспечивают лучшие характеристики.

Пример схемы частотного детектора-дискриминатора (также его иногда называют дифференциальным детектором) приведен на рис. 3.6-10.

 

Рис. 3.6-10. Схемы детектора-дискриминатора (а) и векторные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)

 

В этой схеме имеется два резонансных индуктивно связанных контура \(L1C1\) и \(L2C2\), которые настраиваются точно на частоту сигнала ПЧ. Напряжения, снимаемые с противоположных ветвей контура \(L2C2\), выпрямляются на диодах \(VD1\), \(VD2\) и затем подаются на нагрузку в виде сопротивлений \(R1\), \(R2\) (конденсаторы \(C6\), \(C7\) шунтируют нагрузку по радиочастоте, предотвращая проникновение в последующие каскады радиочастотной составляющей). При совпадении частоты входного сигнала \(U_{вх}\) с резонансной частотой контура \(L2C2\) сигнал \(U_2\), снимаемый с этого контура, на 90° опережает входной сигнал (заметим, что напряжение подводимое в среднюю точку \(L2\) равно \(U_{вх}\)). Поскольку выпрямленные напряжения \(U_{R1}\), \(U_{R2}\), действующие на резисторах \(R1\), \(R2\), пропорциональны напряжениям \(U_3\), \(U_4\) (рис. 3.6‑10б), то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности \(U_{R1}\) – \(U_{R2}\), при резонансной частоте будет равно нулю (\(U_{вых} = U_{R1} – U_{R2} = 0\)). При изменении частоты сигнала будет наблюдаться фазовый сдвиг между входным сигналом и сигналом, выделяемым на контуре \(L2C2\), отличный от 90°. Из-за этого выпрямленные напряжения \(U_{R1}\) и \(U_{R2}\) окажутся различными и на выходе детектора появится сигнал соответствующего знака и амплитуды.

Основными свойствами детектора-дискриминатора являются:

• высокая линейность передаточной характеристики, однако чувствительность к амплитудным помехам очень высока, поэтому необходимо применение ограничителя амплитуды на входе детектора;
• оба контура детектора настраиваются на частоту несущей входного сигнала;
• при равенстве частоты входного сигнала частоте настройки резонансных контуров напряжение на выходе детектора равно нулю.

Степень нелинейных искажений и крутизна характеристики детектора определяется фактором связи между контурами. В пределах заданной максимальной девиации частоты ЧМ сигнала характеристика детектора должна быть линейной. Расширить полосу пропускания (крутизна при этом будет снижаться) можно, зашунтировав один или оба контура резисторами с небольшими сопротивлениями, т.е. снизив добротности контуров.

На низких частотах (465 кГц и ниже) может применяться простой детектор-дискриминатор, схема которого приведена на рис. 3.6-11.

 

Рис. 3.6-11. Простой детектор-дискриминатор для низких частот (465 кГц и менее)

 

Работа этого детектора происходит следующим образом. Сигнал ПЧ ограничивается диодами \(VD1\), \(VD2\) и подается на последовательный колебательный контур \(L1C3\), настроенный точно на промежуточную частоту. Напряжения, снятые с конденсатора и катушки контура, выпрямляются диодами \(VD3\), \(VD4\) и в противофазе складываются на выходе. При резонансе эти напряжения равны, и выходное напряжение детектора равно нулю. При изменении частоты сигнала соотношение напряжений изменяется. Это приводит к появлению выходного напряжения соответствующего знака.

В высококачественных связных приемниках с высоким значением промежуточной частоты (более 5…9 МГц) часто применяются кварцевые-дискриминаторы. В них вместо традиционных \(LC\)-контуров используются кварцевые резонаторы на соответствующие частоты. Это позволяет добиться высокой стабильности и симметричности амплитудно-частотной характеристики детектора. Примеры таких детекторов приведены на рис. 3.6-12 и 3.6-13.

 

Рис. 3.6-12. ЧМ детектор с кварцевым дискриминатором

 

Рис. 3.6-13. ЧМ-детектор с дискриминатором на двух кварцах

 

В схеме детектора на рис. 3.6‑12 используется один кварцевый резонатор \(BQ1\), через который сигнал ПЧ подается на один из диодов детектора. На другой диод сигнал ПЧ поступает через конденсатор \(C1\) с емкостью, равной параллельной емкости кварца. Продетектированные напряжения складываются в противоположной полярности на выходе дискриминатора. На частотах, близких к частоте последовательного резонанса, сопротивление кварца мало, и высокочастотное напряжение на диоде \(VD2\) больше, чем на \(VD3\). На выходе при этом появляется продетектированное напряжение положительной полярности. На частотах, близких к частоте параллельного резонанса, сопротивление кварца велико и выходное напряжение отрицательно. Ширина дискриминационной характеристики детектора примерно соответствует расстоянию между частотами последовательного и параллельного резонансов кварца. Ее можно увеличить почти вдвое, если вместо конденсатора \(C1\) включить другой кварц с частотой последовательного резонанса, равной частоте параллельного резонанса кварца \(BQ1\). Похожее решение реализовано в схеме на рис. 3.6-13.

Пример схемы дробного детектора с симметричным заземлением нагрузки (резисторы \(R5\) и \(R6\)) относительно диодов \(VD1\), \(VD2\) приведен на рис. 3.6-14. Такой детектор также часто называют симметричным детектором отношений.

 

Рис. 3.6-14. Схема дробного ЧМ-детектора (детектор отношений)

 

Напряжения \(U_{вх1}\) и \(U_{вх2}\) на каждом из диодов детектора представляют собой сумму половины напряжения \(U_2\) на контуре \(L3C3\) и напряжения \(U_1\) на дополнительной катушке индуктивности \(L2\), которая индуктивно связана с катушкой \(L1\). Соответствующим подбором числа витков катушки \(L2\) и связи между контурами \(L1C1\) и \(L3C3\) можно добиться практически полного подавления паразитной амплитудной модуляции, что позволяет использовать дробные детекторы без предварительного ограничителя амплитуды входного сигнала. Платой за это является некоторый рост нелинейных искажений по сравнению с детекторами, выполненными по схеме дискриминатора. Параллельно нагрузке включен конденсатор \(C7\) емкостью около 50 мкФ. Емкость этого конденсатора и сопротивление нагрузки выбирают из такого расчета, чтобы постоянная времени \(\tau = C R\) была значительно больше периода самой низкой звуковой частоты. Напряжение звуковой частоты снимается с точки соединения конденсаторов \(C4\) и \(C5\) и поступает на фильтр верхних частот на резисторе \(R4\) и конденсаторе \(C8\).

Эквивалентные добротности контуров \(Q_э\) выбираются в пределах 50…75 (на частотах более 6 МГц). При этом для хорошего подавления амплитудной модуляции и достижения малых нелинейных искажений необходимо, чтобы конструктивная добротность \(Q_к\) была в два-три раза больше \(Q_э\). Индуктивность обмотки \(L2\) выбирают в пределах \({0,25…0,5} \cdot L1\), а добротность — 40…60. Коэффициенты связи между обмотками: \(k_{св 12} \approx 40/Q_э\), \(k_{св 13} \approx 0,5/Q_э\).

На рис. 3.6-15…3.6-18 приводится несколько конкретных реализаций диодных ЧМ детекторов (детекторов отношений), применяемых в бытовых и связных приемниках.

 

Рис. 3.6-15. Детектор отношений для узкополосной ЧМ

 

Рис. 3.6-16. Простой детектор отношений для бытового приемника

 

Рис. 3.6-17. Детектор отношений для бытового приемника (вариант 2)

 

Рис. 3.6-18. Детектор отношений для бытовых и связных приемников

 

 

< Предыдущая		Следующая >

6.3 Частотные детекторы

Частотным детектором называется преобразователь, выходной параметр (напряжение, ток, и т.д.) которого пропорционален мгновенной частоте входного сигнала.

Для входного сигнала u_in = U_in cos[(t)] выходное напряжение частотного детектора E_fd ~ (t).

Детекторование частоты возможно путем преобразования ЧМ в другой вид модуляции с последующим детектированием преобразованного сигнала. По виду предварительного преобразования ЧМ сигнала методы детектирования можно разделить на три группы: ЧМ-ФМ-ФД, ЧМ-АМ-АД, преобразование входного сигнала в импульсную форму.

6.3.1 Частотные детекторы с аналоговыми промежуточными преобразованиями

Детекторы с преобразованием ЧМ-АМ.

В таких детекторах ЧМ сигнал преобразуется в АЧМ колебание расстроенными относительно средней частоты сигнала резонансными цепями с последующим детектированием амплитуд­ными детекторами.

	АО – амплитудный ограничитель; m1, m2 – коэффициенты включения колебательного контура;
Рис.13.7 – Частотный детектор с преобразованием ЧМ-АМ

Промежуточное преобразование ЧМ сигнала в детекторе, схема которого показана на рис. 13.7, реализуется резонансным LC-контуром. В преобразователе используется наклонный участок АХЧ контура, где за­висимость напряжения на кон­туре U_к от частоты f близка к линейной. Резонансная частота контура отличается от средней частоты сигнала на величину f_Н – рис.13.9. Такой преобразователь называют расстроенным относительно частоты сигнала контуром. При использовании наклонного участка АЧХ контура возникает сопутствующая амплитудная модуляция – рис. 13.8. Изменение амплитуды U_к напряжения на кон­туре соответствует закону изменения частоты входного сигнала. Напряжение с контура подается на амплитудный детектор, выходное напряжение которого функционально связано с мгновенной частотой входного сигнала E_Д = F(f_с).

Частотный детектор с одиночным расстроенным контуром (рис.13.7)

,

где U_K0 = I₁m₁R_oe – амплитуда напряжения на контуре при резонансе;

I₁ – амплитуда первой гармоники выходного тока АО; d_e – эквивалентное затухание контура.

Выходное напряжение детектора

E_fd = U_K0 m₁cos , где  – угол отсечки.

Напряжение на контуре U_к = U_ко /,

где U_ко = I_m1m₁m₂R_э; I_m1 – амплитуда первой гармоники тока на выходе АО; d_e – эквивалентное затухание контура. Тогда

Е_ЧД = U_к cos  = U_ко cos / ,

где cos  – коэффициент передачи амплитудного детектора;

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000Рис.13.13 – Преобразование ЧМ-АМ

 = /de – обобщенная расстройка контура.

Характеристика детектирования, построенная по выра­жению для Е_ЧД, по форме совпадает с АЧХ используемой в ЧД линейной цепи – в данном случае с резонансной характеристикой контура. Подобные простейшие ЧД применяются только в си­стемах с узкополосной ЧМ, поскольку не обладают достаточно линейными детекторными характеристиками. Повысить линей­ность характеристики детектирования ЧД можно уменьшением добротности контура, но лучше использовать балансный ЧД с вза­имно расстроенными контурами – рис. 13.9.

Балансный ЧД с взаимно расстроенными контурами – два ЧД с одиночными расстроенными контурами – рис.13.9. Один из контуров имеет резонансную частоту f₀₁ выше центральной частоты f_c входного сигнала, а другой – ниже f₀₂ < f_c .

а)

б)

Рис.13.9, а), б) – Балансный частотный детектор

Рис.13.9, в) – Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами

Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами (рис. 13.9, в) содержит два ЧД с одиночными контурами – рис. 13.7; L₁C₁-контур первого ЧД настроен на частоту f₀₁, превышающую среднюю частоту f₀ на f, a L₂C₂-контур второго ЧД – на частоту f₀₂, которая на f ниже средней частоты входного сигнала f₀. При частоте сигнала f = f₀ напряжения на обоих контурах одинаковые U_K1 = U_K2, и выходные напряжения амплитудных детекторов также одинаковы, но противоположны по знаку E_АД1 = – E_АД2 и напряжение на выходе ЧД E_ЧД = 0 – рис. 13.9. При f > f₀ напряжение U_K1 на первом контуре становится больше, чем напряжение U_K2 на втором, и соответственно |E_АД1| > |E_АД2| и выходное напряжение частотного детектора E_ЧД > 0. При f < f₀ соотношение напряжений:

U_K1 < U_K2, |E_АД1| > |E_АД2| и E_ЧД < 0.

Характеристика детектирования балансного ЧД с взаимно расстроен-ными контурами практически симметрична, поэтому при детектировании отсутствуют искажения по второй гармонике. При значительном взаимном различии настройки контуров характеристика де­тектирования становится нелинейной.

Детекторы с преобразованием ЧМ-ФМ. Усилитель с одиночным резонансным контуром имеет ФЧХ, такую же как и LC-контур – рис. 13.10, а). Фазовый сдвиг  в некото­рых пределах пропорционален разности частоты сигнала и резонансной частоты контура, что позволяет исполь­зовать контур для преобразования изменений частоты в измене­ния фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Один из вариантов ЧД с промежуточным преобразованием ЧМ – ФМ – АМ показан на рис. 13.10, б). LC-контур настроен на среднюю частоту сигнала. Выходной ток амплитудного ограничителя İ наводит в LC-контуре ЭДС, которая вы­зывает в нем ток İ _К. Этот ток создает на контуре напряжение Ū, сдвиг фазы  которого зависит от частоты сигна­ла – рис.13.10, а).

Одновременно ток İ создает на катушке связи L₂ напряжение Ū₀, фаза которого практически совпадает с фазой тока İ в широкой полосе частот. Результирующее напряжение с амплитудой

U_=

детектируется АД, состоя­щим из диода и ФНЧ – R_Н, С_Н. Напряжение на выходе амплитудного детектора про­порционально напряжению U_, которое зависит от фазово­го сдвига  = F(f), поэтому выходное напряжение E_ЧД также за­висит от частоты.

Рис.13.10 – Частотный детектор с преобразованием ЧМ-ФМ	ФЧХ резонансного контура

Схема ЧД с двумя связанными контурами, настроенными на среднюю частоту сигнала, – на рис. 13.11. Плечи ЧД должны быть одинаковыми: R_h2 = R_h3 = R_H; С_Н1 = С_Н2 = С_Н. Два индуктивно связанных контура L₁C₁ и L₂C₂ настроены на среднюю частоту сигнала f₀₁ = f₀₂ = f₀. На выходе линейной цепи включены два диод­ных детектора, на нагрузках которых выделяются напряжения E_АД1 и E_АД2. Диоды VD₁, VD₂ одинако­вы, R_h2 = R_h3, С_h2 = С_h3, потому коэффициенты передачи диодных детекторов одинаковы и рав­ны cos. Т.о. E_АД1 = U_Д1 cos и E_АД2 = U_Д2 cos, где U_D1; U_D2 – амплитуды высо­кочастотных напряжений на диодах. Постоянная составляющая тока диода VD₁ протекает по цепи VD₁  R_h2  Др  верхняя по­ловина L₂  VD₁, а постоянная составляющая тока VD₂ – по це­пи VD₂  R_h3  Др  нижняя по­ловина L₂  VD₂. Высокочастот­ный дроссель Др служит для замыкания цепи постоянной состав­ляющей тока диода. Специального вычитающего устройства в схеме ЧД нет, а используется простое сложение напряжений E_АД1 и E_АД2 в противоположной полярности, следовательно,

E_ЧД = E_АД1 – E_АД2 = (U_D1 – U_D2) cos. (13.48)

Высокочастотная составляю­щая тока диода VD₁ протекает по цепи: VD₁  C_h2  C_h3  общий провод  C_БЛ  L₁C₁  C_СВ  L₂C₂  VD₁. К диоду VD₁ приложено: половина напряжения на втором контуре 0,5Ū₂ и напря­жение на первом контуре Ū₁, т. е. Ū_D1 = Ū₁ + 0,5Ū₂ . Напряжение Ū₁ выделяется на дросселе Др, подключенном по высокой часто­те параллельно первому контуру L₁C₁. Для того чтобы индуктивность дросселя L_др не влияла на индуктивность первого контура, при ее выборе выполняется усло­вия L_др 10L₁.

По аналогии для диода VD₂ можно записать Ū_D2 = Ū₁ – 0,5Ū₂; знак «минус» обусловлен «встречным» включением диодов VD₁, VD₂ – к диодам прикладываются противоположные полярности напряжения и₂.

При пояснении принципа работы ЧД с двумя связанными контурами условно будем считать напряжение на первом контуре опорным, поэтому фазу вектора напряжения Ū₁ можно принять равной нулю. Из выражения для ЭДС, наводимой во втором кон­туре

Ē₂ = jM  İ_L1= jMŪ₁/(r₁+ jL₁)  Ū₁ /L₁,

следует, что фаза ЭДС Ē₂ совпадает с фазой Ū₁ . ЭДС Ē₂ вызывает ток во втором кон­туре, İ₂ = Ē₂/ [r₂ + j(L₂ – 1/C₂ )]. Здесь r₁, r₂ – сопротивления потерь 1-го и 2-го контуров соответственно.

При резо­нансе ток во втором контуре İ₂ и ЭДС Ē₂ с­вязаны соотношением İ ₂ = Ē₂/r₂ – векторы напряжений Ū₁ , Ē₂ и тока İ₂ при _С = ₀ совпадают по фазе. Напряжение на конденсаторе C₂ второго контура

Ū ₂ = İ₂/jC₂ отстает от тока İ₂ на 90°. Поло­вина напряжения на конденсаторе C₂, действующая относительно средней точки катушки индуктивности L₂, через нижнюю половину витков (см. рис.13.12) прикладывается к диоду VD₂ и опере­жает Ū₁ на 90°; другая поло­вина напряжения на конденсаторе C₂ через верхнюю половину витков катушки L₂ прикладывается к диоду VD₁ и отстает от напряжения Ū₁ на 90°. Вектор напряжения на диоде VD₁ равен сумме Ū_D1 = Ū₁ + 0,5 Ū₂, а вектор Ū_D2 = Ū₁ – 0,5 Ū₂. Очевидно, что при резонансе |Ū_D1| = |Ū_D2|, следовательно, E_Д1 = E_Д2; E_ЧД = E_Д1 – E_Д2 = 0.

В ка­честве опорного вектора берем вектор Ū₁; ЭДС, наводимая на втором контуре Ē₂  M Ū₁ /L₁, – ее фаза совпадает с фазой Ū₁. Ток во втором контуре İ ₂ = Ē₂/ [r₂+ j(L₂ – 1/C₂ )]; при _С > ₀ сопротивление 2-го контура X₂ = (L₂ – 1/C₂) имеет индуктивный характер, следовательно, ток İ ₂ отстает по фазе от ЭДС Ē₂. Напряжение Ū₂ на конденсаторе C₂ отстает от тока İ₂ на 90°. К диоду VD₁ приложено напряжение 0,5Ū₂, которое отстает от тока İ₂ на 90°, а к диоду VD₂ приложено напря­жение – 0,5Ū₂, опережающее ток İ₂ на 90°. Сложив соответствую­щие векторы, определим Ū_D1 и Ū_D2. При _С > ₀ очевидно Ū_D2> Ū_D1 при этом E_Д2 > E_Д1 и E_ЧД < 0.

Таким об­разом, в ЧД со связанными контурами на рис. 13.11 изменение частоты сигнала f_С относительно резонансной частоты контуров f₀ приводит к изменению фазового сдвига между ЭДС , наво­димой на втором контуре, и током İ₂ в нем. Это приводит к из­менению напряжений Ū_D1 и Ū_D2 на диодах, а следовательно, и выходного на­пряжения E_ЧД.

Форма характеристики детектирования ЧД зависит от добротности контуров и степени связи между ними.

Рис. 13.11 – Частотный детектор со связанными резонансными контурами

Дробный частотный детектор (рис. 13.12), называемый иногда детектором отношения, не чувствителен к амплитудной модуляции входного сигнала, благодаря чему отпадает необходимость в амплитудном ограничителе. Схема дробного ЧД на рис. 13.12 может рассматриваться как вариант схемы ЧД со связанными контурами – отличается от схемы на рис. 13.12 способом вклю­чения диодов и нагрузки, а вместо дросселя Др и конденсатора связи C_СВ используется катушка связи L₃. Вместо «встречного» включения диодов VD₁, VD₂ здесь они включены последовательно.

Коэффициент взаимоиндукции между катушками индуктивности L₁, L₂ равен M₁, а коэффициент взаимоиндукции между катушками L₁, L₃ равен M₂. Каждое из высокочастотных напряжений Ū_D1 и Ū_D2, подводимых к диодам VD₁, VD₂, так же, как в ЧД со свя­занными контурами на рис. 13.11, представляет собой сумму напряжений: на­пряжения Ū₁ на катушке связи L₃ и половины напряжения на втором контуре Ū₂/2. Напряжение Ū₁^‘ = M₂ Ū₁ /L₁ на катушке связи L₃ по фазе совпадает с напряжением Ū₁ на первом контуре. Поэтому векторные диаграммы, рассмотренные при анализе работы ЧД со связанными контурами, остаются справедливыми и для дробного детектора.

Рис.13.12 – Дробный частотный детектор

Обнаружение амплитудной модуляции »Электроника

Одним из важных элементов использования сигналов с амплитудной модуляцией является процесс демодуляции или обнаружения.

---

Амплитудная модуляция, AM Учебное пособие включает:
Амплитудную модуляцию, AM Основная теория и формулы AM Полоса пропускания AM и боковые полосы Индекс модуляции и глубина AM эффективность Демодуляция / обнаружение AM Диодный детектор Синхронный детектор Модуляторы AM Одна боковая полоса, SSB SSB демодуляция

Форматы модуляции: Типы и методы модуляции Модуляция частоты Фазовая модуляция Квадратурная амплитудная модуляция

---

Демодуляция — это ключевой процесс при приеме любых сигналов с амплитудной модуляцией, используемых в системах радиовещания или двусторонней радиосвязи.

Демодуляция — это процесс, с помощью которого исходный информационный несущий сигнал, то есть модуляция, извлекается из входящего общего принятого сигнала.

Процесс демодуляции сигналов с использованием амплитудной модуляции может быть реализован с помощью ряда различных методов, каждый из которых имеет свои преимущества.

Демодулятор — это схема или, для программно определяемого радио, программное обеспечение, которое используется для восстановления информационного содержания из общего входящего модулированного сигнала.

Демодуляторы

AM используются во многих элементах радиооборудования: радиоприемниках, профессиональном оборудовании для радиосвязи, рациях — AM до сих пор используется для радиосвязи в эфирном диапазоне.

Обнаружение или демодуляция

Термины «обнаружение» и «демодуляция» часто используются в отношении всего процесса демодуляции. По сути, термины описывают один и тот же процесс и одни и те же схемы.

Как видно из названия, процесс демодуляции противоположен модуляции, когда сигнал, такой как аудиосигнал, применяется к несущей.

В процессе демодуляции звуковой или другой сигнал, переносимый вариациями амплитуды на несущей, извлекается из общего сигнала и появляется на выходе.

Поскольку амплитудная модуляция чаще всего используется в звуковых приложениях, наиболее распространенным выходом является звук. Это может быть развлекательное вещание для приема вещания, а для двусторонней радиосвязи оно часто используется для наземной связи для связанных с авиацией приложений — часто в рациях.
Принцип демодуляции амплитудной модуляции AM

Широко используются такие термины, как диодный детектор, синхронный детектор и детектор продукта. Но термин демодуляция имеет тенденцию использоваться более широко, когда он относится к процессу выделения модуляции из сигнала.

Термин «обнаружение» — это старый термин, восходящий к ранним дням развития радио. Термин демодуляция, вероятно, более точен в том смысле, что он относится к процессу демодуляции, то есть извлечению модуляции из сигнала.

Методы демодуляции AM

Существует ряд методов, которые можно использовать для демодуляции сигналов AM. Различные типы используются в разных приложениях в зависимости от их производительности и стоимости.

• Детектор огибающей диодного выпрямителя: Детектор этой формы является самой простой формой, требующей только один диод и несколько других недорогих компонентов. Производительность приемлема для недорогих радиостанций AM, но не соответствует стандартам других форм демодуляции.
  Схема детектора огибающей, используемого в радиоприемнике AM. Он имеет высокий уровень искажений и плохо работает в условиях избирательного замирания, например, в средне- и коротковолновом диапазонах.

  При этом диодный детектор используется уже много лет. Он широко использовался в домашних и профессиональных ламповых или ламповых радиоприемниках, а когда полупроводники заменили клапаны, простые диодные детекторы были очень легко реализованы. Для более современных радиостанций, использующих интегральные схемы, проще реализовать другие формы AM-детектора или AM-демодулятора.
  

  
  
• Детектор продукта: Можно демодулировать амплитудно-модулированные сигналы с помощью приемника, который включает детектор продукта смесителя и локальный генератор частоты биений или генератор инжекции несущей. В своей базовой форме гетеродин не синхронизируется с несущей входящего сигнала.

  Обычно детектор продукта используется для приема одной боковой полосы — производной от AM. Для демодуляции SSB используется схема, известная как детектор продукта.Одиночная боковая полоса — это форма амплитудной модуляции, при которой несущая и одна боковая полоса удаляются, оставляя только одну боковую полосу.

  Чтобы восстановить сигнал, генератор, известный как генератор частоты биений или генератор вставки несущей, используется для замены несущей AM, которая была удалена, и комбинация смешивается в смесителе — это создает продукт двух сигналов, что приводит к созданию исходного модулирующего сигнала.

  Схема также может использоваться для прослушивания сигналов кода Морзе.Он используется для создания биений между прерывистыми несущими, чтобы можно было услышать код Морзе.

  Для демодуляции AM приемник настраивается таким образом, чтобы между несущей AM и генератором частоты биений было нулевое биение. Затем демодулированный звук появляется на выходе детектора продукта. Чтобы эта система работала правильно, приемник должен поддерживать свою частоту так, чтобы частота BFO была точно такой же, как и у входящей несущей, в противном случае будет постоянно слышаться раздражающая нота удара.

• Синхронное обнаружение: Синхронный детектор или демодулятор, по сути, является развитием схемы детектора продукта и, следовательно, обеспечивает оптимальные характеристики для демодуляции сигналов AM. В нем используется гораздо больше компонентов, чем в простом диодном детекторе, но с учетом внедрения технологии интегральных схем очень легко включить эту форму демодулятора во многие радиоприемники с почти нулевыми дополнительными затратами.

  В синхронном демодуляторе AM используется смеситель или детектор продукта с сигналом гетеродина. Сигнал гетеродина синхронизируется с несущей входящего сигнала, поэтому он не создает нот биений с входящей несущей. Затем боковые полосы AM-сигнала демодулируются для получения требуемого аудиосигнала.

  Ввиду своей превосходной производительности и простоты встраивания в микросхемы, эта форма демодулятора используется во многих радиовещательных приемниках AM, а также в профессиональном оборудовании радиосвязи на базе AM, рациях и т. Д.
  

  
  

Эти три формы схем являются наиболее часто используемыми методами и схемами для демодуляции амплитудно-модулированных сигналов AM.

Демодуляторы

AM используются в любом радиооборудовании, которое используется для приема широковещательного AM-сигнала или в системах радиосвязи, использующих амплитудную модуляцию. Хотя амплитудная модуляция не так широко используется, как много лет назад, она все еще используется для вещания в длинных, средних и коротких диапазонах волн.

Возможно, его больше всего используют для профессиональной радиосвязи для авиационной радиосвязи. Здесь он широко используется для наземной связи и широко используются рации. каждая из этих различных форм радиосвязи требует, чтобы они были демодулятором AM.

Другие важные темы по радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частот Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы RF фильтры Типы радиоприемников Радио Superhet Избирательность приемника Чувствительность приемника Обработка сильного сигнала приемника
Вернуться в меню тем радио.. .

.Модуляция AM

и детектор огибающей [Analog Devices Wiki]

Цель:

В этой лабораторной работе мы будем использовать ADALM1000 для введения амплитудной модуляции (AM) и демодуляции обнаружения огибающей. Огибающая сигнала эквивалентна его контуру, а детектор огибающей соединяет пики амплитуды сигнала. Обнаружение огибающей имеет множество приложений в области обработки сигналов и связи, одним из которых является обнаружение или демодуляция с амплитудной модуляцией (AM).

Амплитудная модуляция (AM) — это метод модуляции, используемый в электронной связи, чаще всего для передачи информации с помощью несущей радиочастоты. При амплитудной модуляции амплитуда (мощность сигнала) несущей волны изменяется пропорционально форме передаваемой волны. Эта форма волны может, например, соответствовать звукам, воспроизводимым громкоговорителем, или интенсивности света телевизионных пикселей.

Типичный сигнал с амплитудной модуляцией имеет следующее уравнение:

где:

• — сигнал сообщения
• — несущий сигнал
• k — индекс модуляции (обычно от 0 до 1)

• А — амплитуда несущей

• ω _c — несущая частота

Детектор огибающей — это электронная схема, которая принимает высокочастотный сигнал в качестве входа и выдает выходной сигнал, который является огибающей исходного сигнала.(ω _c »ω _м )

Он состоит из двух основных элементов:

• Диод / выпрямитель — служит для передачи одной половины принятого сигнала поверх другой.

• Фильтр нижних частот — требуется для удаления высокочастотного содержимого, которое остается в сигнале после обнаружения / демодуляции. Фильтр может состоять из очень простой RC-цепочки фильтров нижних частот, но в некоторых случаях он может быть обеспечен просто за счет ограниченной частотной характеристики схемы, следующей за выпрямителем.

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM1000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
Резистор 1–10 кОм (коричневый, черный, оранжевый)
2– Конденсаторы 0,1 мкФ (104)
1– Диод 1N914

Детектор конвертов

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 1. Два конденсатора по 0,1 мкФ используются параллельно, чтобы сформировать общую емкость 0,2 мкФ, которая вместе с резистором 10 кОм для простого фильтра нижних частот.

Рисунок 1, Схема детектора конверта

Конденсатор в цепи накапливает заряд на переднем фронте и медленно сбрасывает его через резистор, когда сигнал падает.Последовательный диод выпрямляет входящий сигнал, позволяя току течь только тогда, когда положительный входной терминал имеет более высокий потенциал, чем отрицательный входной терминал.

Настройка оборудования:

Постройте схему, показанную на рисунке 1, на беспаечной макетной плате для детектора огибающей. Пока мы не будем генерировать тестовый сигнал с амплитудной модуляцией, оставьте подключения CH A и CH B к ADALM1000 отключенными.

Процедура:

Мы будем использовать генератор сигналов канала А в качестве источника для обеспечения сигнала AM со следующими параметрами:

• Мин. = 1.7

• Макс. = 3,3

• Частота = 100 Гц

Мы будем использовать генератор сигналов канала B в качестве источника для обеспечения несущего сигнала со следующими параметрами:

• Мин. = 1,5

• Макс. = 3,5

• Freq = 10 кГц

Если оба канала CH A и CH B установлены в режим SVMI и Shape Sine, вы должны увидеть формы сигналов, похожие на те, что показаны на рисунке 2.Установите горизонтальную шкалу времени на 2,0 мсек / дел, чтобы отобразить 2 цикла сигнала 100 Гц.

Рисунок 2, Генерируемые модулирующие и несущие сигналы

Для генерации модулированного сигнала мы будем использовать функцию Math из генератора сигналов ALICE CH A. Когда программа приостановлена, выберите опцию Math в раскрывающемся меню Shape. Введите следующее уравнение, которое умножает зафиксированный сигнал модуляции из канала A на захваченный сигнал несущей из канала B.Поскольку сигналы сосредоточены на 2,5 В , эта часть формы сигнала постоянного тока должна быть вычтена. Затем смещение на 2,5 В добавляется обратно после умножения, чтобы центрировать модулированный сигнал в диапазоне от 0 до 5 В ALM1000.

(VBuffA-0.6) * (VBuffB-2.5) +2,5

Сгенерированный сигнал представлен на рисунке 3 в виде зеленой кривой от канала A. Отсоедините конденсаторы от цепи и наблюдайте за выходным сигналом. Когда CH B находится в режиме Hi Z, подключите его как CH-A, так и CH-B к вашей цепи.

Рисунок 3, Положительная половина генерируемого AM-сигнала

Используйте элементы управления вертикальным диапазоном и положением, чтобы сместить следы так, чтобы они не перекрывали друг друга. Это упрощает просмотр двух сигналов. Без подключенного конденсатора схема работает как выпрямитель положительной полуволны, который сохраняет часть сигнала выше 2,5 В .

Теперь снова подключите конденсаторы к цепи. Пример графика представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Отфильтрованный демодулированный сигнал

Результирующий демодулированный сигнал является огибающей положительной полуволны, полученной ранее. На самом деле это сигнал сообщения 100 Гц с некоторой пульсацией 10 кГц.

Спектр частотной области

Мы также можем просматривать эти сигналы в частотной области с помощью инструмента Spectrum Analyzer. Сначала мы можем отдельно рассмотреть сигналы несущей 10 кГц и модулирующие сигналы 100 Гц. Настройте генераторы сигналов CH A и CH B так, как они были на первом этапе, когда они оба были настроены на синусоидальную форму и в режим SVMI.Отключите оба канала от вашей цепи, чтобы они не мешали друг другу.

Откройте инструмент Анализатор спектра. Включите параметр Cut-DC. Выберите кривые CA-dBV и CB-dbV для отображения. Установите начальную частоту 100 и конечную частоту на 50000 с логарифмической шкалой частоты. Установите количество образцов на 16384. При работающем анализаторе вы должны увидеть что-то вроде спектра, показанного на рисунке 5.

Рисунок 5, Спектр несущего и модулирующего сигналов

Как мы видим, у нас есть единственный пик на частоте 100 Гц модулирующего сигнала на канале CH-A и единственный пик на частоте 10 кГц несущего сигнала на канале CH-B.

Теперь регенерируйте сигнал с математической модуляцией в канале A. Вы можете повторно подключить CH-A и CH-B к вашей цепи и снова перевести CH-B в режим Hi-Z. Теперь, если мы увеличим масштаб спектра канала А, установив начальную частоту на 8000, а конечную частоту на 12000, мы увидим, что на рисунке 6 основной пик находится на несущей частоте 10 кГц, а есть боковые полосы модуляции + / — 100 Гц по обе стороны от несущей. (, то есть 9900 Гц и 10100 Гц.

Рисунок 6, Спектр сигнала модулированной несущей

Что касается конденсатора фильтра, если мы посмотрим на спектр демодулированного сигнала после детектора огибающей, мы увидим большой пик на 100 Гц и сильно ослабленный пик на несущей частоте 10 кГц, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Отфильтрованный демодулированный сигнал после спектра детектора огибающей.

Детектор смещенной огибающей

Простой диодный детектор огибающей, показанный на рисунке 1, не работает хорошо или не работает, если амплитуда , то есть Swing, меньше, чем напряжение прямого поворота диода. Он будет испытывать значительные искажения на отрицательной половине сигнала модуляции для высоких индексов модуляции (около 100%), когда диод не включен полностью.Чтобы обойти это ограничение, необходимо внести в диод небольшое смещение постоянного тока. Этот небольшой ток смещения перемещается в рабочую точку покоя схемы прямо в точку включения диода.

Материалы:

ADALM1000 Active Learning Module
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
1 — резистор 1,5 кОм (коричнево-зеленый, красный)
1 — резистор 10 кОм (коричневый, черный, оранжевый)
1 — резистор 20 кОм (красный, черный, оранжевый)
1 — Конденсатор 0,22 мкФ, C ₁ (224)
1 — 1.Конденсатор 0 мкФ, C ₂
1 — 2N3904 NPN транзистор
1 — диод 1N914

На своей беспаечной макетной плате сконструируйте схему детектора смещенной огибающей, как показано на рисунке 8. Амплитудно-модулированный сигнал подается по переменному току на базу NPN-транзистора Q ₁ , который сконфигурирован как эмиттерный повторитель. Делитель напряжения R ₁ и R ₂ вместе с диодом D ₁ служат для установки точки смещения постоянного тока на входе, связанном по переменному току (восстановление постоянного тока). При отсутствии модулированного входа рабочая точка покоя постоянного тока, видимая на эмиттере Q ₁ , будет равна напряжению на стыке R ₁ и R ₂ минус падение на диоде D ₁ и В _{. BE} из Q ₁ .Базовый ток Q ₁ протекает через диод D ₁ , смещая его в прямом направлении. Во время положительных полупериодов модулированный вход D ₁ отключается, и входной сигнал достигает пика заряда конденсатора фильтра C ₂ . Во время отрицательных полупериодов входного сигнала транзистор Q ₁ выключается, а D ₁ включается сильнее, обеспечивая входной ток.

Рисунок 8. Схема детектора смещенной огибающей.

Чтобы проверить эту схему, сначала используйте тот же модулированный сигнал, который вы использовали в примере простого диодного детектора огибающей.Сравните новую конструкцию с простым диодным детектором огибающей. Используя те же шаги, что и ранее, сгенерируйте AM-сигналы с меньшими амплитудами / более высокими индексами модуляции и сравните выходные сигналы этих двух конструкций детекторов.

Для дальнейшего чтения:

Вернуться в ALM Lab Activity Содержание

университет / курсы / alm1k / схем1 / alm-cir-envelope-Detector.txt · Последнее изменение: 21 марта 2018 г., 17:42, автор: dmercer

.

Детектор амплитудно-модуляции | Статья о детекторе амплитудной модуляции от The Free Dictionary

Детектор амплитудной модуляции

Устройство для восстановления информации из электрического сигнала с амплитудной модуляцией (AM). Такой сигнал принимается, обычно на радиочастоте, с информацией, передаваемой в одной из нескольких форм. Сигнал несущей может быть модулирован информационным сигналом как двухполосная (DSB) подавленная несущая (DSSC или DSBSC), двухполосная переданная несущая (DSTC или DSBTC), однополосная подавленная несущая (SSBSC или SSB), рудиментарная боковая полоса (VSB) или квадратурно-амплитудная модуляция (QAM).

Область требований к детекторам с амплитудной модуляцией подразделяется в зависимости от применения, сложности и стоимости на две категории: синхронное и асинхронное обнаружение. Аналоговая реализация нелинейного асинхронного обнаружения, которая обычно выполняется с помощью диодной схемы, предпочтительна для потребительских приложений, радиоприемников AM-вещания, продуктов с минимальной стоимостью и менее важных требований к рабочим характеристикам. Синхронные детекторы, в которых принятый сигнал умножается на копию сигнала несущей, реализованы непосредственно в соответствии с их математикой и блок-схемами, и тот же общий детектор удовлетворяет требованиям обнаружения всех сигналов SSB, DSB и VSB.Хотя синхронные детекторы могут работать в аналоговой области с использованием интегральных схем, чаще используются цифровые схемы из-за преимуществ в стоимости, производительности, надежности и мощности.

В синхронном обнаружении есть два концептуальных подхода: обратный процесс модуляции (что довольно сложно) или ремодуляция сигнала из полосы пропускания (на несущей частоте передатчика или около нее) в полосу модулирующих частот (с центром на постоянном токе или нулевой частоте). ). Ремодуляция рутинна.К сожалению, для синхронной демодуляции передаваемого сигнала требуется почти точная копия сигнала несущей передатчика в приемнике. Синхронный означает, что опорный сигнал несущей в приемнике имеет ту же частоту и фазу, что и сигнал несущей в передатчике. Есть три способа получить опорный сигнал несущей. Во-первых, сигнал несущей фактически может быть доступен через второй канал. С этим методом сложностей не возникает, ведь под рукой идеальная копия.Во-вторых, несущий сигнал может передаваться с модулированным сигналом. Затем он должен быть восстановлен схемой, известной как контур фазовой синхронизации с потенциальными фазовыми и частотными ошибками. В-третьих, сигнал несущей может быть синтезирован гетеродином в приемнике с большим потенциалом ошибок. Если не указано иное, предполагается, что имеется точная копия сигнала несущей. См. Осциллятор , петли фазовой синхронизации

Асинхронное обнаружение применяется к сигналам DSTC, индекс модуляции которых меньше 1, и это довольно просто.Сначала полученный сигнал подвергается двухполупериодному выпрямлению, затем результат фильтруется с помощью фильтра нижних частот, чтобы исключить несущую частоту и ее составляющие, и, наконец, удаляется среднее значение (посредством блокировки постоянного тока, то есть связи по переменному току). Этот результат идентичен результату, полученному при синхронном обнаружении с эталоном, амплитуда которого искажена до прямоугольной формы. Также можно использовать более дешевый, но менее эффективный полуволновой выпрямитель, и в этом случае процесс демодуляции называется обнаружением огибающей.

Схема диодного детектора в радиоприемнике состоит из трех этапов (см. Рисунок). Первый каскад — это источник сигнала, который состоит из пары настроенных цепей, которые представляют собой последний трансформатор промежуточной частоты (н.ф.), который передает энергию сигнала из каскада н.ф. усилителя в детектор. Вторая ступень — это диодный выпрямитель, который может быть как двухполупериодным, так и полуволновым. Наконец, сигнал проходит через третий этап, фильтр, для сглаживания артефактов высокочастотного шума и удаления среднего значения. См. Диод, Усилитель промежуточной частоты, Выпрямитель

Схема детектора диода

Формирование формы волны на входе фильтра (см. Иллюстрацию) определяется конденсатором C ₁ , подключенным параллельно с эквивалентом сопротивление R ₁ , последние последовательно с параллельной комбинацией резисторов, R ₂ и R ₄ . Фильтр также имеет конденсатор C ₃ между R ₂ и R ₄ и параллельную комбинацию резистора R ₃ и конденсатора C ₂ дюймов. серия с R ₂ .Реактивные сопротивления обоих конденсаторов C ₂ и C ₃ довольно малы на информационной частоте, поэтому конденсаторы можно рассматривать как короткие замыкания. Между тем, комбинация C ₃ — R ₄ служит схемой блокировки постоянного тока для устранения постоянной или постоянной составляющей в выходной точке фильтра. Для правильного смещения выходной точки для следующего каскада усилителя R ₄ заменяется цепью резисторов смещения в реальном фильтре; R ₄ — эквивалент с одним резистором.

Сила сигнала, поступающего на детектор, пропорциональна среднему значению сигнала на входе фильтра и воспринимается как напряжение автоматической регулировки усиления (АРУ). Изменения в этом уровне напряжения используются для регулировки усиления перед детектором, чтобы уровень сигнала на входе детектора мог оставаться относительно постоянным, хотя сила сигнала на антенне приемника может колебаться. Поскольку конденсатор C ₂ шунтирует всю энергию сигнала и любую оставшуюся в живых несущую энергию на землю, напряжение АРУ примерно равно среднему значению во входной точке фильтра, масштабируемому на R ₃ / ( R ₁ + R ₂ + R ₃ ), потому что R ₁ намного меньше, чем R ₄ .

При необходимости может быть предусмотрена дополнительная фильтрация для снижения шума до приемлемого уровня. Этот усиленный и отфильтрованный сигнал, наконец, поступает на выходное устройство, такое как громкоговоритель. Неровная форма выходного сигнала фильтра контрастирует с плавной формой сигнала информационного сигнала. Неровность исчезает, когда отношение i.f. частота к информации частота увеличивается. В то время как синтетический пример с низким коэффициентом может использоваться, чтобы четко показать эффекты в демодуляторе, амплитуда этого шума шероховатости уменьшается почти прямо пропорционально увеличению отношения частот.Резкость выходного сигнала фильтра после полуволнового выпрямления намного больше, чем у двухполупериодного выпрямителя.

Фактическое отношение наихудшего случая для стандартного радиовещания с амплитудной модуляцией составляет 46,5: 1. В этом случае шероховатость на отфильтрованных выходах уменьшается до нечеткости, которую можно увидеть на графиках форм сигналов, но она находится далеко за пределами частотного диапазона аудиосхем, громкоговорителей и человеческого слуха. См. Амплитудный модулятор

Краткая инженерная энциклопедия McGraw-Hill.© 2002 McGraw-Hill Companies, Inc.

.

1 шт. AD8302 ВЧ-амплитудно-фазовый детектор | амплитуда | детектор-детектор RF

1 шт. AD8302 RF-амплитудно-фазовый детектор

Описание устройства

ВЧ-сигнал с детектором относительной амплитуды, полностью интегрированный в микросхему AD8302. , используется для измерения двух независимых амплитуды и фазы входного сигнала. Устройство работает от низких частот до 2,7 ГГц. Может использоваться для обнаружения усиления, измерения КСВН.

AD8302 включает в себя два точно согласованных широкополосных логарифмических усилителя, широкополосный линейный умножитель / фазовый детектор, 1.источник 8В точности опорного напряжения, а аналоговая выходная цепь масштабирования. Диапазон входного сигнала -60 дБм до 0 дБм (опорный импеданс 50 Ω) с соответствующим динамическим диапазоном 60 дБ. Выход AD8302 обеспечивает точные измерения амплитуды с крутизной 30 мВ / дБ в диапазоне +/- 30 дБ; диапазон измерения фазы от 0 до 180 ° с крутизной 10 мВ / градус.

AD8302 представляет собой монолитную интегральную схему для РЧ / ПЧ амплитуда и фаза измерения, состоящая в основном из двух близко подобранных логарифмических логарифмических детекторов, фазовый детектор, усилитель банковских выход, смещение ячейки, а буфер вывода опорного напряжения.Может одновременно измерять соотношение амплитуд и разность фаз между двумя входными сигналами в диапазоне частот от низкой частоты до 2,7 ГГц. Его можно применять для измерения коэффициента линейности усилителя мощности ВЧ / ПЧ, точного контроля мощности ВЧ, измерения КСВН, а также для удаленного мониторинга и диагностики системы. Вывод AD8302 показан на рисунке 1.

AD8302 — три основных устройства измерения, контроллера и компаратора уровня, но его основная функция заключается в измерении амплитуды и фазы.AD8302 обеспечивает диапазон измерения амплитуды до 60 дБ с двумя логическими детекторами ширины и независимым фазовым детектором с диапазоном обнаружения 180 °. Его уравнение для измерения амплитуды и фазы:

VMAG = VSLPLOG (VINA / VINB) + VCP

VPHS = V? [? (ВИНА) -? (VINB)] + VCP

Когда выходные выводы микросхемы VMAG и VPHS напрямую подключены к входным выводам установки обратной связи микросхемы, MSET и PSET, режим измерения микросхемы будет работать с наклоном по умолчанию и центральной точкой (30 мВ / дБ для точного измерения амплитуды, точного измерения фазы. Масштабный коэффициент 10 мВ / градус и центральная точка 900 мВ).

.