Преобразование и детектирование сигналов

Преобразователи частоты

Преобразовательные каскады преобразуют высокочастотные колебания принимаемого сигнала в колебания промежуточной частоты, на которой осуществляется основное усиление сигнала.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя частоты приемника.

Преобразователь частоты Пр приемника (рис. 1) состоит из маломощного генератора (гетеродин Гт), вырабатывающего вспомогательные ВЧ колебания f_г и смесителя См, выполняющего функции нелинейного элемента. При одновременном воздействии на смеситель частот сигнала f_c и гетеродина f_г в токе смесителя кроме составляющих с частотами f_c и f_г возникнут составляющие с разностной f_г— f_c и суммарной f_г+f_c частотами и другие частоты высших порядков вида mf_г±nf_c, где m и n — любые целые числа. Из всех этих комбинационных частот, представляющих собой сочетания частот f_г и f_c и их гармоник, в качестве полезного колебания выделяют с помощью колебательного контура, включаемого на выходе преобразователя, промежуточную частоту f_пp =f_г—f_c.

Преобразователь частоты преобразует радиосигнал таким образом, что спектр его переносится с несущей частоты ω₀ на частоту ω_пр, называемую промежуточной, и так как все составляющие спектра смещаются на одну и ту же величину, то огибающая радиосигнала воспроизводится без искажений в сигнале промежуточной частоты (рис. 2. а, б).

Рис. 2. Временные (а) и спектральные (б) диаграммы напряжений в преобразователе частоты.

Преобразование заключается в перемножении радиосигнала u_с и гармонических колебаний u_г местного генератора (гетеродина) с последующим выделением сигнала промежуточной частоты при помощи фильтра. Чтобы перенести спектр сигнала с ω₀ на ω_пр, частота гетеродина ω_г должна быть больше или меньше частоты сигнала ω₀ на величину промежуточной частоты ω_пр, т. е. ω_г = ω₀± ω_пр (рис. 16. б). Обычно стремятся сместить спектр преобразуемого сигнала в сторону низших частот, и тогда в качестве промежуточной используют разностную частоту: ω_пр = ω_г — ω₀. Составляющие, появившиеся в результате взаимодействия колебаний с частотами ω₀ и ω_г и имеющие частоты ω₀ ,ω_г, ω₀ + ω_г и 2ω₀, отфильтровываются колебательным контуром LС, настроенным на промежуточную частоту.

Перемножение колебаний происходит в смесителе. Это нелинейный элемент, и если им является диод, то преобразование частоты происходит без усиления сигнала, а если транзистор, ламповый триод или пентод, то с усилением сигнала.

Амплитудные детекторы

Детекторы служат для выделения сигнала модулирующей частоты из принятого радиочастотного модулированного колебания.

Амплитудным детектором называется устройство, в котором осуществляется преобразование высокочастотного амплитудно-модулированного колебания в низкочастотное колебание, соответствующее закону изменения амплитуды ВЧ колебания.

Из определения следует, что на вход детектора подается колебание, содержащее только высокочастотные составляющие. На выходе детектора выделяется напряжение низкой частоты. Таким образом, при детектировании происходит трансформация спектра. Поэтому амплитудное детектирование может осуществляться как в нелинейных, так и в линейных цепях с периодически изменяющимися параметрами. На практике преимущественно используются нелинейные амплитудные детекторы. Амплитудные детекторы, построенные на линейных элементах с переменными параметрами, называются синхронными детекторами; они применяются значительно реже.

Нелинейный амплитудный детектор является типичным нелинейным устройством и состоит из нелинейного элемента и фильтра. В качестве нелинейного элемента могут быть использованы диод, триод, пентод или транзисторы, а в качестве фильтра — параллельная цепочка RC (рис. 3.а). В простейшем случае (тональная модуляция) спектры и временные диаграммы на входе и выходе АМ-детектора имеют вид, показанный на рис. 3.б.

А нализ работы амплитудного детектора начнем с определения его основных характеристик.

Рис. 3.

Первой основной характеристикой амплитудного детектора является его детекторная характеристика—доказывающая, как изменяется выходной ток детектора при изменении амплитуды входного высокочастотного напряжения.

Учитывая, что в реальных радиоэлектронных устройствах частота модулирующего напряжения значительно меньше модулируемого (F ≤ f_o), изменение амплитуды входного высокочастотного напряжения детектора можно рассматривать как очень медленное, в пределе полагая, что амплитуда высокочастотного сигнала постоянна (U_вх = Uo cosω_оt). Тогда результатом детектирования будет постоянная составляющая выходного тока детектора I. Однако в общем случае на выходе детектора будет некоторый постоянный ток I_о и при отсутствии входного сигнала. Поэтому полезным результатом детектирования будет ток:

I =I – I₀

а детекторной характеристикой будет зависимость

I =f (U₀) (13)

Типичная детекторная характеристика представлена на рис. 4.а.

По детекторной характеристике легко оценить качество детектирования. Рабочим участком детекторной характеристики, естественно, является линейный участок, где изменение выходного тока детектора в точности соответствует изменению амплитуды входного ВЧ напряжения (огибающей). Чем больше линейный участок детекторной характеристики, тем большие изменения М возможны, т. е. тем лучше схема детектора.

В торой основной характеристикой амплитудного детектора является его коэффициент передачи — характеристика, аналогичная коэффициенту усиления усилителя.

Правда, в детекторе происходит трансформация спектра и, конечно, полной аналогии провести нельзя. Но, если учесть, что высокочастотное модулированное колебание создается для передачи низкочастотного сообщения и что это сообщение содержится в форме огибающей высокочастотного сигнала, коэффициент передачи амплитудного детектора можно определить в виде отношения амплитуды низкочастотного колебания на выходе детектора к амплитуде огибающей высокочастотного напряжения на его входе:

K_d = U_/ U_m = U_/MU₀. (14)

Рис.4.

Третьей основной характеристикой детектора является его входное сопротивление ZBX, определяющее влияние детектора на предыдущее устройство.

Обычно напряжение поступает на амплитудный детектор с параллельного колебательного контура, настроенного на несущую частоту ω_о. Желательно, чтобы подключение детектора мало меняло параметры этого контура.

Влияние детектора на контур можно определить (так же, как и для входного сопротивления усилительного каскада) величиной входного тока детектора. Однако необходимо учитывать не полный входной ток детектора, а только ту его частотную составляющую, которая создает падение напряжения на контуре.

Так как детектор обязательно содержит нелинейный элемент, его входной ток i можно выразить следующим образом:

i_вх = I_-- +I_ cos (₀t + ₁ ) + I_2 cos (₀t + ₂ ) +... .

Учитывая избирательные свойства контура, входное сопротивление детектора может быть определено как

Z_ВХ = U₀/I_

В большинстве случаев реактивное сопротивление носит емкостный характер, причем входная емкость обычно невелика, и ее влияние можно учесть при начальной регулировке контура. Поэтому влияние схемы амплитудного детектора на предыдущее устройство сводится к учету входного сопротивления детектора:

R_ВХ = U₀/I_

Четвертой основной характеристикой амплитудного детектора является его частотная характеристика — зависимость коэффициента передачи детектора от частоты модулирующего напряжения: Kd= ψ(F) (рис. 4.б).

Наконец, пятой основной характеристикой амплитудного детектора является величина нелинейных искажений.

Как неоднократно отмечалось, детектор является нелинейным устройством. Поэтому при детектировании сложного амплитудно-модулированного сигнала на его выходе наряду с частотой F появляются гармонические составляющие с частотой 2F, 3F и т. д. Такие искажения, как известно, называются нелинейными, а их величина оценивается коэффициентом нелинейных искажений:

k₁ = . (15)

В зависимости от типа применяемого нелинейного элемента и места включения нагрузки различают следующие схемы амплитудных детекторов: диодные (на вакуумных и полупроводниковых диодах); сеточные, анодные и катодные (на триодах и пентодах); базовые, коллекторные и эмиттерные (на транзисторах). Выбор той или иной схемы детектора связан с требованиями конкретной задачи и свойствами каждой из перечисленных схем.

Частотные детекторы

Частотным детектором называется устройство, выходное напряжение которого воспроизводит закон изменения мгновенного значения частоты высокочастотного напряжения на его входе.

Если на входе частотного детектора действует напряжение u_BX = Uo sin[ω_оt + φ(t)], то на его выходе должно быть напряжение

u_ВЫХ = k_ЧД f (t).

Так как при таком преобразовании происходит трансформация спектра, частотный детектор должен содержать нелинейный элемент и фильтр. Однако этого недостаточно. Дело в том, что ни один из известных в настоящее время нелинейных элементов не реагирует на изменение частоты. Нелинейность элемента проявляется только при изменении величины действующего на него напряжения. Поэтому структурная схема частотного детектора оказывается более сложной. Кроме нелинейного элемента и фильтра, в схему детектора необходимо включить еще преобразователь. Преобразователь должен преобразовывать высокочастотные колебания меняющейся частоты и постоянной амплитуды в высокочастотные колебания меняющейся частоты и переменной амплитуды. При этом амплитуда преобразованного высокочастотного колебания должна быть пропорциональна изменению частоты. Подав это сложное высокочастотное напряжение на амплитудный детектор, получим на его выходе низкочастотный сигнал, воспроизводящий закон изменения мгновенного значения частоты входного высокочастотного напряжения.

Но в реальных условиях амплитуда входного высокочастотного напряжения не бывает постоянной. На нее накладываются различные помехи. Если на вход преобразователя подать напряжение, амплитуда которого не будет постоянной, то на его выходе эти изменения наложатся на изменения амплитуды, соответствующие изменению частоты, что приведет к появлению искажений. Во избежание этого перед преобразователем ставят ограничитель.

О бщая структурная схема частотного детектора имеет вид, показанный на рис. 5. Там же приведены временные диаграммы, поясняющие работу отдельных узлов частотного детектора.

Как следует из изложенного, ограничитель является устройством, выходное напряжение которого должно оставаться постоянным при изменении в определенных пределах его входного напряжения. Идеальный ограничитель должен иметь амплитудную характеристику, приведенную на рис. 6.а.

Д

Рис.5.

Рис. 6.

ля получения постоянного выходного напряжения на вход ограничителя необходимо подавать напряжение U_BX > Uвx min. В качестве ограничителей обычно применяют избирательный усилительный каскад, активный элемент которого работает в специальном режиме. Например, при использовании пентодов уменьшают его анодное напряжение и напряжение на экранирующей сетке.

Идеальный преобразователь должен иметь амплитудно-частотную характеристику, показанную на рис. 6. б. Качество преобразователя будет тем выше, чем круче его амплитудно-частотная характеристика и чем больше ее строго линейный участок. В качестве простейшего преобразователя может служить одиночный колебательный контур, расстроенный по отношению к несущей частоте (рис. 6. в).

Фазовые детекторы

В различных радиотехнических устройствах возникает необходимость в измерении фазы гармонического колебания. Оно обычно осуществляется путем сравнения измеряемого колебания с так называемым опорным колебанием. Устройство, выходное напряжение которого определяется разностью фаз сравниваемых гармонических колебаний, называется фазовым детектором.

В соответствии с определением фазовый детектор является шестиполюсником, имеющим два входа и один выход (рис. 7.).

На входы шестиполюсника, который работает в нелинейном режиме, подаются два напряжения:

u₁ (t) = U₁ cos (₁t + ₁), u₂ (t) = U₂ cos (₂t + ₂).

В результате нелинейного преобразования этих напряжений на выходе фазового детектора образуется широкий спектр комбинационных частот, среди которых будет разностная частота:

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos[(ω₁ - ω₂) t + φ₁- φ₂],

где k_ФД - коэффициент, зависящий от схемы детектора; φ₁ и φ₂ -начальные фазы. Если оба входных напряжения имеют одинаковую частоту (ω₁=ω₂), то

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos( φ₁- φ₂), (16)

т. е. выходное напряжение фазового детектора оказывается постоянным и пропорциональным разности начальных фаз сравниваемых напряжений. Такой режим работы фазового детектора характерен для фазометрических систем. Если входные напряжения имеют разную частоту (ω₁≠ω₂), то

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos φ _ω1 (17)

В этом случае выходное напряжение фазового детектора периодически изменяется и оказывается пропорциональным мгновенному значению разности фаз сравниваемых напряжений. Подобный режим работы фазового детектора имеет место, например, в системах автоматической подстройки частоты. Основной для фазового детектора является детекторная характеристика

U_ВЫХ = F (φ) (18)

— зависимость его выходного напряжения от разности фаз сравниваемых напряжений. Детекторную характеристику снимают при подведении к входу детектора двух чисто гармонических колебаний одинаковой частоты; она имеет вид, показанный на рис. 8. Основными параметрами фазового детектора являются крутизна характеристики

S_ФД = (19)

и коэффициент передачи напряжения. Последний представляет собой отношение величины максимального выходного напряжения к амплитуде входного (измеряемого) напряжения:

K_ФД = U_{ВЫХ max}/ U_ВХ. (20)

Кроме того, важными параметрами фазового детектора являются его входное и выходное сопротивление, а также величина искажений, вносимых детектором.

Н

Рис. 7.

Рис. 8.

Рис. 9.

аибольшее распространение получила схема балансного фазового детектора (рис. 9. а).

Как следует из рис. 9.а, балансный фазовый детектор состоит из двух включенных встречно диодных АМ-детекторов, нагрузкой которых являются цепочки RC. Одно из входных напряжений подводится к схеме через трансформатор Tp₁ с выводом средней точки, В результате этого напряжения U'₁ и U''₁ действуют на диоды Д₁ и Д₂ в противофазе. Второе напряжение U₂ подается через трансформатор Тр₂ и действует на диоды Д₁ и Д₂ в фазе.

Таким образом, на каждом из диодов действует сумма двух напряжений:

u_Д1 = u₁' + u₂, u_Д2 = u₂ – u₁'',

Напряжения u_Д1 и u_Д2 детектируются амплитудными детекторами, на выходе которых возникают напряжения

U_ВЫХ1 = K_dU_Д1 и U_ВЫХ2 = K_dU_Д2

где K_d— коэффициент передачи амплитудного детектора.

Напряжение на выходе фазового детектора равно разности выходных напряжений амплитудных детекторов:

U_ВЫХ = U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2 =K_d ( ) (21)

При равенстве частот сравниваемых колебаний (₁=₂) и при отсутствии угловой модуляции (21) превращается в аналитическое выражение детекторной характеристики балансного фазового детектора, из которой с помощью дифференцирования определяется крутизна его характеристики:

S_ФД = - . (22)

В тех случаях, когда амплитуду одного из входных напряжений выбирают намного больше амплитуды другого, например U₂U₁ выражения (21) и (22) сильно упрощаются:

U_ВЫХ ≈ 2K_d U₁cos, (23)

S_ФД ≈ -2 K_d U₁ . (24)