3.5. Радиосигналдарды демодуляциялау (детектрлеу).

Детекторлар

Детектрлеу (демодуляция) деп, модуляцияланған жоғары жиілікті сигналды, пішіні төменгі жиілікті модуляциялайтын сигналды қайта қалпына келтіретін тербеліске түрлендіру процесін айтады. Детекторлар (демодуляторлар) модуляторлар іске асыратын функцияға қарама-қарсы функцияны орындайды, және олар да амплитудалық жиіліктік, фазалық, импульстық, цифрлық және т.б. болып бөлінеді.

Амплитудалық детекторлар.

Қарапайым біртоналды амплитудалы модуляцияланған сигналды детектрлеу процесін қарайық. Амплитудалы модуляцияланған сигнал детекторы кірісіне жоғары жиілікті модуляцияланған сигнал келіп түсті дейік:

u_кір (t) = U_кір (1+ Mcost)cos₀t = U_кір(t)cos₀t , (3.36)

мұнда U_кір(t) = U_кір (1+ Mcost).

Детектордың шығыс кернеуі u_шығ(t) = U_шығcost

берілетін мәліметке (хабарға) пропорционал, не оның көшірмесі төменгі жиілікті болуы тиіс. Амплитудалық детектордың жұмысы эффективтігін тарату коэффициентімен (детектрлеуге коэффициентімен бағалайды, ол шығыс төменгі жиілікті кернеудің кіріс модуляцияланған сигналдың қамтушысы амплитудасына қатынасымен анықталады:

k_д = U_шығ/(MU_кір) .

3.21–сурет. Сызықты диодтық амплитудалық детектор: а)схемасы; б)–кернеулер диаграммасы

Амплитудалы модуляцияланған сигналдың амплитудасы мен детекторлық элементтің сипаттамасы тіке сызықты еместігі дәрежесіне байланысты детектрлеудің екі режимі болуы мүмкін. Тіке сызықты (сипаттаманы кесікті сызықты жуықтаумен үлкен амплитудалар режимі) және квадраттық (екінші дәрежелі полиноммен сипатталатын сипаттаманың тіке сызықты бөлігіндегі кіші амплитудадағы жұмыс).

Тіке сызықты диодтық детектор. Детектор жұмысының тіке сызықты жұмыс режимінде кіріс және шығысты сигналдар амплитудалары тіке пропорционалдық тәуелділікпен байланысқан 3.21-суретте тізбекті диодтық детектордың сұлбасы берілген, мұнда диод VD - төменгі жиілікті R_ж C_ж – сүзгіге (жүктеме) тізбекті қосылған.

Кезкелген детектордың іс жүзіндегі (нақты) жүктеме тізбегі пайдалы модуляциялайтын сигналды тиімді сүзіп алуы және зиянды жоғары жиілікті құрастырушыларды басып тастауы үшін екі тепе-теңсіздік орындалуы қажет:

1/(C_н)  R_н; 1/(₀C_н) R_н. (3.37)

Тағы бір детектордың жақсы жұмысының шарты –жүктеме кедергісі R_ж диодтың тікелей өткізгіштік кедергісінен әлдеқайда үлкен болуы тиіс; бұліс жүзінде ылғи орындалады.

Диодтық детектор кірісіне қарапайым біртоналды амплитудалы модуляцияланған сигнал u_кір (t) = U_кір(t)sin₀t берілді дейік (3.21, б – сурет). Диод арқылы, кіріс сигналдың u_кір амплитудасы (С_ж конденсатордағы кернеуден асқанда (яғни детектор шығысындағы u_шығ) ток жүреді. Бұл жағдайда C_ж конденсатор ашық, диодтың кішкене кедергісі арқылы тез зарядталады да, үлкен R_ж жүктеме кедергісі арқылы өте баяу разрядталынады. Сондықтан кіріс тербелістің периодының көп бөлігінде диод жабық та, шығыс кернеу амплитудасы кіріс амплитудаға жақын. Сұлбаны талдауды және есептеуді жеңілдету үшін детектор кірісіне жеткілікті үлкен модуляцияланбаған гармоникалық тербеліс келіп түсті дейік. Бұл жағдайда диодтың ВАС -ын екі тіке сызық кесіндісімен жуықтап беруге болады.

3.22- сурет. Сызықты детектордағы ток пен кернеудің диаграммалары

Осыдан, кіріс және шығыс кернеулер амплитудалары қарапайым қатынасымен байланысқан:

U_шығ = U₀ = U_кірcos . (3.38)

бұл жағдайда детектордың тарату коэффициенті

k_д = U_шығ/U_кір = cos. (3.39)

Амплитудалық детектордың тогының тұрақты құрастырушысы I₀ = S U_кір₀,

мұнда S - сипаттаманың дифференциалдық тіктігі, ₀ гармоника коэффициенті, ₀ = 1/( sin -  cos). Сондықтан шығыс кернеудің орташа мәні

U_шығ = U₀ = I₀R_н = SU_кір₀ R_н , (3.40)

мұнда ₀ = 1/( sin -  cos) Берг функциясы немесе гармоника коэффициенті.

Осы қатынасқа (3.38) – тен cos -ны және (3.39) –дан ₀ мәнін қойсақ, келесі трансценденттік теңдеуді аламыз ( мұнда белгісіз шама аргумент ішіне кіреді):

cos = S₀ R_н = S R_н/  (sin -  cos). (3.41)

Осы теңдеудің екі жағын да cos - ға бөліп, табамыз

tg  -  = / S R_н. (3.42)

Осыдан көрініп тұр қиып тастау бұрышы кіріс сигнал амплитудасына тәуелсіз және тек қана SR_ж – көбейтіндісі шамасымен сипатталады, ол үлкен болған сайын қиып тастау бұрышы кішірейе түседі. Әдетте SR_ж1 ; сондықтан қиып тастау бұрышы  нөлге жақын. Математикадан белгілі, бұл жағдайда ( кішкентай болғанда) tg  =  + ³/3.

Осыны ескере отырып (3.42) -ден детектрлеу коэффициентін есептеу үшін келесі формуланы аламыз

k_д = cos = . (3.43)

Тізбекті детектордың кіріс кедергісі. Іс жүзіндегі сұлбаларда АМП детекторына берілетін жоғары жиілікті модуляцияланған тербеліс, қабылдағыштың аралық жиілік резонанстық күшейткішінен алынады. Бұл жағдайда аралық жиілік күшейткіші (АЖК) контуры детектордың кішкене кіріс кедергісімен тұйықталады, ал бұл оның сапалылығын төмендетіп, күшейткіштің өткізу жолағын ұлғайтады (таңдаушылығы нашарлайды).

Амплитудалы модуляцияланған сигналдың кіріс кедергісі шамасын анықтайық. Қиып тастау бұрышы кішкентай деп алайық, сондықтан cos = 1 және U_кір = U₀ . Детекторға түсетін модуляцияланбаған гармоникалық сигнал қуаты P_кір = 0,5 U ²_кір / R_кір , мұнда R_кір – оның табылатын кіріс кедергісі. Детектор жүктемесінде бөлінетін қуат P_ж = 0,5 U ²₀ / R_ж .

Диодтың тіке қосылғандағы кедергісі нөлге жақын болғандықтан, онда барлық қуат жүктемеде бөлінеді ( P_ж = P_кір ), және сондықтан U ²₀ / R_ж = 0,5 U ²_кір / R_кір .

Осыдан диодтық детектордың кіріс кедергісін табамыз:

R_кір = R_ж/2.

Квадратикалық детектор.

Квадратикалық және сызықтық детекторлардың жұмыс істеу принциптерінде айтарлықтай айырмашылықтар бар. Амплитудалы модуляцияланған сигналдың кішкене амплитудаларында сызықты тәуелді емес элементтің(СТЕЭ) сипаттамасы Тейлордың екінші дәрежелі полиномымен жуықталады

i(t) = a₀ + a₁ u_кір (t) + a₂ u²_кір (t)

Осы өрнекке (3.36) –дан u_кір (t) кернеу мәнін қойып, табамыз

i(t) = a₀ + a₁ U_кір(t)cos₀t + 0,5 a₂ U ²_кір(t) cos 2₀t. (3.44)

Амплитудалық детектор шығысында ₀ және 2 ₀ жоғары жиіліктері бар токтың айнымалы құрастырушылары R_ж С_ж- тізбегімен сүзгіленеді. Таратылатын ақпарат детектрленген тербелістің төменгі жиілікті құрастырушысының құрамында болады, ол күрделі емес математикалық есептеулерден кейін келесі түрге келеді:

i_ж(t) = 0,5 a₂ U ²_кір (1 + 0.5 M² +2 M cost + 0.5 M² cos2t). (3.45)

Осы формуладан көрініп тұр, детектрлеудің пайдалы эффектісі (беріліп тұрған хабар) амплитудалы модуляцияланған сигнал амплитудасы квадратына U²_кір пропорционал, сондықтан осындай детектрлеуді квадратикалық деп атайды. Токтың тұрақты құрастырушысы оңай сүзіліп алынады (мысалы ажыратқыш конденсатормен), сонда детектор шығыс тогы мына формуладан анықталады:

i_шығ(t) = a₂ U ²_кір M cost + 0,25 M² U ²_кір cos2t

Осында пайдалы сигнал тек біріншісі, ал екіншісі қосынды детектордан болатын берілетін сигналдың сызықты емес бұрмалануларын анықтайды. Сызықты емес бұрмалануларды модуляция тереңдігін төмендету арқылы азайтуға болады.

Операциялық күшейткіштердегі амплитудалық детекторлар.

Диодтық (сол сияқты транзисторлық) амплитудалық детекторлар кішкене кіріс кернеулерде пайдалы сигналды, әжептәуір бұрмаланулармен түрлендіреді. Сондықтан соңғы кезде радиотехникалық құрылғыларда негізінен аналогтық микросхемалардан – операциялық күшейткіштерден құрылған детекторларды қолданады, олар сонымен бір уақытта шығыс сигналды күшейтеді.

Детектор ОК –тегі терістейтін күшейткіш сұлбасы (3.23,а – сурет) бойынша құрылғандықтан, онда кіріс сигналдың оң жарты толқыны келіп түскенде (3.23,б-сурет) u₂ кернеуі OK шығысында теріс болады. Бұл жағдайда диод VD1 ашық, ал диод VD2 жабық.

3.23 – сурет. Операциялық күшейткіштегі детектор: а) схемасы; б,в) шығыстағы және кірістегі кернеу диаграммалары

OK шығысы VD1 диодтың кішкентай тіке кедергісі арқылы өзінің кірісіне қосылады, бұл кернеу бойынша терең теріс байланысты тудырады. Осының нәтижесінде OK шығысында кернеу өзінің кірісіндегі кернеуге тең және нөлге жақын болады, яғни u₂  u₁  0. Детектордың шығыс кернеуі де нөлге тең болады.

Кіріс гармоникалық сигналдың теріс жарты толқыны келіп түскен уақытта OK шығысындағы кернеу u₂ оң болып, сондықтан диод VD1 жабық, ал диод VD2 ашық болады да, ол арқылы і ток жүреді. Бұл жағдайда OK шығысындағы, детектор шығыс кернеуі

u_шығ = u₂ = - u_кір R₂ /R₁

яғни кіріс сигналдың өзгеру заңына сәйкес болады.

Бұрыштың модуляцияланған сигналдарды детектрлеу

ЖЖ және ФМ сигналдарды детектрлегенде олар әуелі терең емес амплитудалық модуляциясы бар тербелістерге түрлендіріп сосын амплитудалық детектормен демодуляцияланады. Мұндай түрлендірудің керектігі, сызықты емес элементтер (диодтар тек амплитуданың өзгерісінен ғана (сезінеді) әсерленеді, тербеліс жиіліктігімен фазасына қарамайды.

Жиіліктік детектор. Жиілікті модуляцияланған тербелістерден пайдалы сигналды бөліп алу үшін жиіліктік детекторларды қолданады. Жиіліктік немесе фазалық модуляцияны

3.24-сурет.Жиілікті модуляцияланған сигналды Ампл. мод.- Жмод сигналға түрлендіру

амплитудалыққа түрлендіруді әртүрлі сызықтық тізбектер көмегімен іске асыруға болады, соның ішінде резонанстық контур көмегімен, ондағы кернеу амплитудасы кіріс тербелістер жиілігіне тәуелді болады. Тербелістік контур _р жиілігіне бапталған да (келтірілген), оған тұрақты амплитудасы бар және жиілігі гармоникалық заң бойынша өзгеретін  = ₀ + _Д cost, біртоналды ЖМ – сигнал берілді дейік. (мұнда ₀ - тасымалдаушы жиілігі; _Д -жиілік девиациясы). Тербеліс контурының толық кедергісі модулы жиілікке тәуелді болғандықтан ондағы кернеу амплитудасы да, ₀ тасымалдаушыдан ЖМ –сигналдың жиілігі өзгергенде уақыт бойынша өзгеріп отырады. Осы жағдай 3.24 - суретте бейнеленген, онда сәйкесті түрде көрсетілген: контурдағы кернеу амплитудасының жиілікке тәуелділігі U_к(); контур шығысында ЖМ сигналдың жиілігінің ( t) және амплитудасының U_к(t) уақыт бойынша өзгеруі.

Сөйтіп, резонанстық контур шығысындағы Жмод.тербеліс амплитудасы гармоникалық модуляциялайтын сигналға пропорционал түрде уақыт бойынша өзгереді, яғни Жмод.сигнал тағы амплитуда бойынша да модуляцияланған кернеуге түрленеді. Сосын, осы құрылымы күрделі Ампмод –Жмод.тербеліс амплитудалық детектормен детектрленеді.Детектрлеудің осы әдісінің кемшілігі – контурдың резонанстық қисығының құламасындағы өте шектелген сызықты бөлігі.

Жиіліктік дискриминатор. ЖМод (жиіліктік модуляцияланған) сигналдардың қабылдағыштарының көбінде, сондай-ақ өлшеуіш техникасы мен жиілікті автоматты жөнге келтіруі бар гармоникалық тербелістердің автогенераторларында пайдаланылатын ЖМод.детектордың (дискриминатордың) қарапайым сұлбасын қарайық (3.25-сурет).

L_др

3.25 – сурет. Жиіліктік детектор

Осы жиіліктік модуляция детекторы схемасында, тасымалдаушы жиілік ₀ -ға бапталған және ЖМод.сигналдар АмплМод.-ЖМод.тербеліске түрлендіруді іске асыратын екі индуктивті байланысқан контур шығысына қосылған OK-тегі резонанстың күшейткіші –шектегіш бар. Осылай түрлендірілген күрделі тербеліс, тізбекті жалғанған екі ұқсас амплитудалы модуляцияланған сигнал детекторларымен бір уақытта (детектрленеді) демодуляциялану сұлбада С_р – ажыратқыш-бөлгіш конденсатор, С_п – бұғаттайтын конденсатор, ал дроссель L_др -детектор жүктемесі арқылы жоғары жиілікті токтың жүруіне кедергі жасайды.

Осы жиіліктік детектордың жұмыс істеу принципі жиілік ауытқуын жоғары жиілікті тербелістің фазалық жылжуы өзгерісіне сызықты түрлендіруде және де әрі қарай амплитудалық детектрлеумен амплитуда векторы бағытын сәйкесті түрде өзгертуде жатыр. Оның жұмысын түсіндіру үшін векторлық диаграммаларды қарайық

3.25 – сурет. Жиіліктік детектордың векторлық диаграммалары:

а) модуляция жоқта; б)жиілік резонанстықтан жоғары; в)жиілік резонанстықтан төмен

Осы диаграммаларда кернеу векторлары 0, А, В, және D нүктелері арасындағы потенциалдар айырмасын бейнелейді. Күшейткіш пен амплитудалық детекторлары контурларының индуктивтік байланысы болғандықтан, диодтардың кірісіндегі кернеулер U₂/2–нің біреуі операциялық күшейткіштің шығыс кернеуіне U₁ синфазалы, ал екіншісі қарама-қарсы фазада.

Амплитудалық детекторлар жоғары жиілікті кіріс кернеудің амплитудасын сезінеді, сондықтан VD1 мен VD2 диодтардың анодтарына келіп түсетін кернеулер (U_D! және U_D2 )маңызды. VD1 диодтың анодындағы кернеу екі кернеу қосындысына тең: U_D1 = U₁ + U₂/2; сәйкесті түрде VD2 диодтың анодындағы кернеу: U_D2 = U₁ - U₂/2.

Модуляция жоқта, ЖМод.сигнал жиілігі ₀ контурлардың резонанстық жиіліктері _р -мен дәл келіп, күшейткіш контурындағы U₁ кернеуі I₁ тогынан фаза бойынша 90⁰-қа алда жүреді. Бұл жағдайда амплитудалық детекторлар контурларындағы кернеулер U₂/2 және - U₂/2 да фаза бойынша кіріс контурдың I₁ тогынан 90⁰-қа алда болады. Осыған сәйкес векторлық диаграмма 3.29,а-суретте берілген. Бұл жағдайда амплитудалық детекторлардың диодтарындағы кернеулер U_D! және U_D2 бір-біріне тең, ал шығыс кернеу

U_шығ = 0.

ЖМод-сигналдың ₀ ілездік жиілігінің _р резонанстық жиілігінен  шамасына ауытқығанында күшейткіш контурындағы U₁ кернеу I₁ тогына қарағанда қосымша фазалық жылжу ± фазалық жылжу алады, оның таңбасы және шамасы параллел контурдың фазалы-жиіліктік сипаттамасымен (ФЖС) анықталады. ЖМод-сигналдың резонанастықтан жоғары және төмен

3. 26– сурет. Детекторлық сипаттама

жиіліктеріндегі контурлардағы кернеулердің векторлық диаграммалары сәйкесті түрде 3.25, б,в –суретте көрсетілген. Бұл жағдайда U_D! және U_D2 кернеулері бір-біріне тең болмайды, осының салдарынан ЖМод-детекторы шығысында таратылатын мәліметті бейнелейтін шығыс кернеу U_шығ пайда болады. U_шығ шығыс кернеудің  =  - ₀ шамасына тәуелділігі детекторлық сипаттама деп аталады, оның нақты нұсқасы 3.26 –суретте берілген.