5. Детектирование

Детектированием (демодуляцией) называется процесс преобразования модулированного высокочастотного сигнала в колебание, форма которого воспроизводит сигнал. Детекторы (демодуляторы) выполняют функцию, обратную функции, осуществляемой модуляторами, и подразделяются на амплитудные, частотные, фазовые, импульсные, цифровые и т. д. детекторы.

5.1. Амплитудные детекторы

На вход детектора АМ-сигнала (АМ-детектора) подается высокочастотное модулированное колебание вида

u_ВХ (t) = U_ВХ( 1 + МcosΩt)cosω₀t = U_ВХ(t)cosω₀t,

Выходное напряжение детектора должно быть низкочастотным

u_ВЫХ (t) = U_ВЫХcosΩt, пропорциональным (копией) передаваемому сообщению. Эффективность работы амплитудного детектора оценивают коэффициентом передачи (коэффициентом детектирования), представляющим собой отношение амплитуды выходного низкочастотного напряжения к амплитуде огибающей входного модулированного сигнала:

k_Д = U_ВЫХ/(МU_ВХ).

В зависимости от амплитуды АМ-сигнала и степени нелинейности характеристики детекторного элемента возможны два режима детектирования: линейный (режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией характеристики) и квадратичный (работа при малых амплитудах на участке характеристики, описываемой полиномом второй степени).

5.2. Линейный диодный детектор.

При линейном режиме работы детектора амплитуды сигналов на входе и выходе связаны прямо пропорциональной зависимостью. На рис. 5.1 представлена схема так называемого последовательного диодного детектора, у которого диод VD включен последовательно с низкочастотным R_НС_Н-фильтром.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно отфильтровывала полезный модулирующий сигнал и подавляла паразитные высокочастотные составляющие, необходимо выполнение трех условий:

1) 1/ (ΩС_н) >> R_н; 2) 1/ (ω₀С_н) << R_н; 3) R_н >> R_{д. пр.} (легко выполняется);

где R_{д. пр} – прямое сопротивление диода.

5.3. Квадратичный детектор

Принципы действия квадратичного и линейного детекторов существенно отличаются. При малых амплитудах АМ-сигнала характеристика НЭ наиболее точно апроксимируется полиномом Тейлора второй степени. Полезный эффект детектирования (передаваемое сообщение) пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала, поэтому такое детектирование и называется квадратичным.

5.4. Амплитудный детектор на операционном усилителе

Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых входных напряжениях вносят в полезный сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в радиотехнических устройствах в основном применяют детекторы, построенные на аналоговых микросхемах – операционных усилителях, которые осуществляют одновременно и усиление выходного сигнала.

5.5. Детектирование сигналов с угловой модуляцией

При детектировании ЧМ- и ФМ- сигналов они предварительно преобразуются в колебания с неглубокой амплитудной модуляцией и затем детектируются амплитудным детектором. Подобное преобразование необходимо потому, что нелинейные элементы реагируют на изменения только амплитуды, а не частоты и фазы колебаний.

5.6. Частотный детектор.

Преобразование частотной или фазовой модуляции в амплитудную можно осуществить с помощью различных линейных цепей, в частности резонансного контура, у которого амплитуда напряжения на склоне резонансной кривой зависит от частоты входных колебаний (рис. 5.2.)

5.7. ЧМ-детектор на интегральном аналоговом перемножителе

Большинство современных детекторов ЧМ-сигналов в радиоприемных устройствах выполняют на интегральных аналоговых перемножителях

(рис. 5.3). Пусть на вход ЧМ-детектора на аналоговом перемножителе поступает немодулированное гармоническое напряжение u_вх(t)=U_вхcosωt. Аналоговый перемножитель обладает большими входными сопротивлениями, поэтому его входы практически не потребляют токи, и весь входной ток i_вх(t) = I_вхcosωt протекает через емкость С1 и параллельный LC-контур. Поскольку напряжение на конденсаторе С1 отстает от тока по фазе на π/2, то напряжение на входе перемножителя

u₁(t) = U_ccos(ωt - π/2)

где U_c – амплитудное значение напряжения на конденсаторе С1.

Напряжение на контуре

u₂(t) = U_кcos(ωt +φ)

где U_к – амплитудное значение напряжения, а фазовый сдвиг

φ = - arctg(2QΔω/ω₀),

здесь Δω = ω – ω₀ – абсолютная расстройка; Q – добротность контура.

Используя тригонометрическую формулу произведения косинусов, определим напряжение на выходе перемножителя

u_п (t) = k_au₁(t) u₂(t) = 0,5k_aU_cU_к[cos(φ + π/2)+ cos(2 ωt + φ – π/2)].

Включение в схему ФНЧ позволяет избавиться от составляющей с удвоенной частотой:

U_вых = – 0,5 k_a U_cU_кsin φ.

Как правило, в резонансном контуре справедливо 2QΔω/ω₀ << 1, и поэтому

sinφ ≈ φ = 2QΔω/ω₀, и в итоге

U_вых = – 0,5 k_a U_cU_к Δω/ω₀.

Cледовательно, схема осуществляет линейное детектирование ЧМ-сигналов, при котором выходное напряжение пропорционально отклонению частоты сигнала от несущей.