10.4. Детектирование радиосигналов

Детектирование (демодуляция) − это нелинейное преобразование радиосигнала в управляющий сигнал. Оно также является частным случаем нелинейного преобразования, когда воздействие − модулированное колебание, а отклик − модулирующее.

Амплитудный детектор. Амплитудный детектор (АД) предназначен для преобразования АМС в управляющий сигнал, форма которого соответствует огибающей АМС.

При детектировании, как и при любом нелинейном преобразовании, необходимо, во-первых, исказить АМС так, чтобы в спектре возникла составляющая частоты управляющего сигнала (УС), а во-вторых, выделить ее в узле нагрузки.

Схема диодного детектора. Эта схема (рис. 10.4, а) представляет собой однополупериодный выпрямитель РЧ колебаний. Ее отличия: применение радиочастотных трансформатора и диода, связанное с повышением частоты, применение разделительного конденсатора , через который передается переменное напряжение УС и не передается постоянное.

Процесс детектирования иллюстрируется временными и спектральными диаграммами на рис. 10.4, а.

Выпрямление преобразует АМС в модулированные импульсы. Их спектральный состав сложен. При отсутствии модуляции их амплит уда не меняется и спектр содержит постоянную и гармонические составляющие. При модуляции все эти составляющие изменяются в соответствии с УС. В спектрах гармоник появляются боковые полосы, а среднее значение тока пульсирует с частотой УС .

Фильтрация УС обеспечивается выбором элементов и узла нагрузки. Сопротивление резистора выбирают порядка единиц − десятков килоом. Такие значения поэтому , а . Емкость конденсатора выбирают из двух условий:

1) условие сглаживания радиочастотных колебаний, которое выполняется, если . В этом случае все гармоники радиочастоты замыкаются через , не создавая на нем заметного падения напряжения (ток ) и РЧ сигнал не поступает на вход УЗЧ (он выполнил свою задачу и дальше не используется),

2) условие выделения управляющего сигнала, которое выполняется, если на звуковой частоте . Тогда ток ЗЧ замыкается через (в составе тока ) и создает на нем падение напряжения , которое через поступает на вход УЗЧ. Объединив оба условия, получим соотношение

Чем больше различаются частоты и , тем лучше выполняется условие.

Пример. В схеме детектора использованы . Требуется проверить выполнение условия, если .

1. На радиочастоте

2. На звуковой частоте

3. В результате . Условие выполняется.

Линейное детектирование (или детектирование сильного сигнала) − это такой режим, при котором огибающая АМС целиком проектируется на линейный участок ВАХ диода (рис. 10.4, а). В этом режиме не возникает искажений огибающей в процессе выпрямления АМС. Коэффициент передачи напряжения постоянен независимо от амплитуды: (здесь − амплитуда огибающей). Условие линейного режима (см. график ВАХ на рис. 10.4, а) должно выполняться для минимальной амплитуды АМС . Она не должна выходить за пределы линейного участка ВАХ.

Например, если , то условие линейности выполняется при . До этого значения сигнал должен быть усилен в радиочастотном тракте (ТРЧ) РПУ. Если чувствительность РПУ (минимальная ЭДС сигнала в антенне) равна 3 мкВ, то необходимое усиление раз!

Квадратичное детектирование (или детектирование слабого сигнала) возникает, когда и огибающая (полностью или частично) проектируется на нижний сгиб − квадратичный участок ВАХ. Этот режим сопровождается нелинейными искажениями огибающей, тем более сильными, чем большая часть криволинейного участка ВАХ охватывается огибающей АМС, т. е. чем глубже модуляция (больше ). Такой режим более вероятен в РПУ с низкой чувствительностью (малым ) при приеме слабых сигналов.

Другие схемы АД. Наряду с диодными АД, получившими наиболее широкое применение, используют схемы АД на транзисторах. Их название соответствует цепи, в которую включена нагрузка. Например, у коллекторного АД узел включен в цепь коллектора. Для детектирования используется проходная ВАХ и поскольку , происходит усиление УС по току и напряжению.

Частотный детектор. Частотный детектор (ЧД) предназначен для преобразования ЧМС в УС. ЧД состоит из линейной части (дискриминатора) и нелинейной (АД). Дискриминатор служит для преобразования ЧМС в АЧМС, который затем подвергается амплитудному детектированию с выделением УС.

Преимущества ЧМС − повышение помехоустойчивости и качества вещания − проявляются, если его амплитуда постоянна. В процессе усиления ЧМС резонансными усилителями может возникнуть сопутствующая AM за счет расстройки контуров УРЧ при отклонениях частоты ЧМС. Для ее устранения перед дискриминатором включают амплитудный ограничитель (АО) (рис. 10.4, б).

Простейший ЧД. Он состоит из частотного дискриминатора − расстроенного ПРК и диодного АД. Его недостаток в том, что вследствие криволинейности РХ контура огибающая АЧМС оказывается искаженной. При симметричной гармонической ЧМ огибающая несимметрична (рис. 7.3, в). Такие искажения характерны для появления в спектре четных гармоник (рис. 3.12, б). Позтому в высококачественных ЧД простейшая схема не используется.

Балансный частотный детектор. Для устранения искажений можно испольовать двухконтурную схему с симметрично расстроенными ПРК. Амплитуда выходного напряжения этой схемы ( на рис. 10.4, в) равна разности амплитуд противофазных напряжений на контурах . Амплитудно-частотная характеристика такого дискриминатора ) имеет достаточно протяженный линейный участок, в пределах которого преобразование ЧМС в АЧМС происходит без искажений. Возникает вопрос: как продетектировать два АЧМС так, чтобы выходное напряжение детектора было пропорционально их разности . Подобная задача возникает и при использовании фазового дискриминатора на СВК (рис. 8.6, г и 10.4, в). Здесь тоже требуется получить на выходе АД напряжение, пропорциональное разности Эту задачу можно решить при помощи балансного (двухтактного) частотного детектора (БЧД).

Схема БЧД. Как видно из рис. 10.4, в, схема БЧД состоит из двух встречно включенных диодных АД. Плечи схемы симметричны, возбуждаются противофазно, токи создают на нагрузках противоположные по полярности напряжения . Если входные напряжения плеч равны, то на выходе . Схема сбалансирована. Если и наоборот.

Характеристика БЧД. Ее можно получить их ВАХ диодов, если учесть, что а на диодах противофазны. Как видно из построения на рис. 10.4, г, ВАХ балансного частотного детектора − нечетная функция (так как ), линейная на рабочем участке. Поэтому БЧД не вносит искажений, даже если используются квадратичные участки ВАХ диодов, и компенсирует их, если огибающие амплитуд искажены несимметрично (четными гармониками).

БЧД с фазовым дискриминатором. Этот БЧД, схема которого показана на рис. 10.4, в, детектирует два АЧМ напряжения . Каждое из них равно векторной сумме опорного напряжения ы, с контура и одной из половин напряжения с контура фаза которого относительно изменяется периодически в процессе модуляции за счет расстройки контура .

Как видно из рис. 10.4, г, огибающие амплитуд − изменяются периодически, но не по гармоническому закону. Это искажение и исправляет БЧД. Схема широко применяется в радиовещательных приемниках ЧМС.

- Отличие схемы балансного частотного детектора с частотным дискриминатором от предыдущей в том, что в ней отключен фазовый дискриминатор и к точкам В, О, D подключен частотный. Плечи схемы взаимно независимы. Диод VD_X детектирует напряжение и_во, действующее на контуре L_XC_V a VD₂ − м_ш на контуре L₂C₂. Искажения огибающих этих напряжений кривизной РХ исправляются при балансном детектировании. Как отмечалось, схема используется в курсовых РПУ посадочной системы.

Фазовый детектор. Фазовый детектор (ФД) отличается от частотного только одним элементом − интегрирующим ФНЧ на выходе. Поскольку , то интегрирование УС, полученного в результате частотного детектирования ФМС, равноценно преобразованию ФМС в ЧМС на входе ЧД. Балансные схемы ФД (БФД) нашли широкое применение в системах фазовой автоподстройки РЧ генераторов (ФАП), а БЧД − в частотной (ЧАП).