книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

помеху; в частном случае помехой может быть также флюктуационный шум.

В простейшем случае на входе детектора (рис. 8.24, а) действуют два немодулйрованных переменных напряжения с различными часто­ тами:

ui — Ui cos (®i* + $i)> иг — ^2 cos ((о2/ + ф2). (8.92)

Сумма двух напряжений всегда может быть представлена на основании известных способов одним колебанием

В соответствии с векторной диаграммой, приведенной на рис. 8.24, б, поясняющей сложение двух напряжений, амплитуду и фазу резуль­

где До> = coj — о)2 — разностная; частота. Амплитудный детектор не реагирует на

фазу колебания; поэтому практический инте­ рес представляет соотношение для огибающей

■ суммарного, результирующего колебания. Для рассмотрения результата воздействия суммарного колебания

на линейный детектор первоначально примем детектор безынерцион­ ным для разностной частоты. В этом случае должны выполняться усло­ вия

310

Будем считать, что из двух гармонических колебаний (8.92) одно представляет собой полезное колебание, а другое — напряжение по­ мехи. Задача заключается в определении приращений постоянных, со­ ставляющих напряжения на нагрузке от действия 1-го и 2-го колеба­ ний. На основании (8.99) получаем

Отсюда отношение постоянных составляющих оказывается равным

Это показывает, что в безынерционном детекторе при взаимодейст­ вии двух переменных напряжений слабый сигнал подавляется сильным.

В присутствии сильного сигнала линейный детектор ведет себя по от­ ношению к слабому сигналу как квадратичный детектор; его коэффи­ циент передачи получается равным

Полученному результату можно дать физическое объяснение. При малой амплитуде t/2 результирующее колебание имеет практически си­ нусоидальную модуляцию с периодом ТД(Й = 2л/До), что не должно изменять величины выпрямленного напряжения на нагрузке детекто­ ра из-за действия второго сигнала (рис. 8.25). С увеличением амплиту­ ды второго сигнала нарушается синусоидальная форма огибающей и из-за асимметрии ее относительно среднего значения результирующе­ го колебания появляется приращение постоянной составляющей, обусловленное действием второго сигнала. Теоретический анализ при произвольных соотношениях амплитуд двух переменных напряжений оказывается более сложным по сравнению с приведенным; эффект по­ давления несколько ослабляется, но принципиальное объяснение ре­ зультата взаимодействия двух колебаний при детектировании сохраняет свое значение. На основании анализа сделаем следующий вывод. Если колебание ых представляет собой полезный сигнал, а колебание и2 — помеху, то на выходе безынерционного детектора улучшается отноше­ ние еигнал/помеха. В этом случае подавление сильным сигналом сла­ бой помехи — полезное явление. Наоборот, в случае превышения по-

stг

мехи над полезным сигналом детектор будет существенно ослаблять последний. Поэтому необходимо уменьшать помеху в каскадах усиле­ ния высокой частоты и создавать превышение полезного сигнала над уровнем помехи до входа детектора.

При воздействии двух колебаний на детектор часто рассматривают иную задачу. В отличие от предыдущей она заключается в выделении переменного напряжения разностной частоты. В этом случае одно ко­ лебание представляет собой принимаемый сигнал, а второе является вспомогательным, поступающим на детектор от местного гетеродина. При таком гетеродинном детектировании, используемом при приеме телеграфных сигналов, разностную частоту выбирают в области зву­ ковых частот. В соответствии с (8.99) напряжение разностной частоты можно представить в виде

где Uдм = Кд£/2 — амплитуда напряжения разностной частоты. Согласно определению (8.9) коэффициент передачи равен

(8.104)

Отсюда видно, что в безынерционном детекторе при соотношении ам­ плитуд и г коэффициент передачи Kr av>= /Сд, что соответствует случаю идеального детектирования сильного модулированного сигна­ ла. Следовательно, при наличии гетеродинного напряжения для слабых сигналов обеспечивается режим детектирования сильных сигналов. В отсутствие гетеродинного напряжения принимаемому слабому сигна­ лу соответствовал бы режим детектирования слабых сигналов.

огибающей результирующего колебания Uv (t) (рис. 8.25), и из-за медленного разряда емкости С на сопротивление нагрузки R он как бы фиксирует максимальные значения этой огибающей.

Очевидно, в этом случае выпрямленное напряжение на нагрузке детектора можно представить в виде двух слагаемых

На основании этого можно заключить, что при инерционном детек­ тировании, при котором условие безынерционное™ детектора не вы­ полняется (т > Т дш), взаимодействие двух колебаний отсутствует

иполезный результат детектирования t/= получается таким же, как

ипри их раздельном детектировании.

S12

Задача воздействия двух сигналов на линейный детектор содержит ряд других вариантов. В частности, полученные результаты можно распространить на случай воздействия двух AM колебаний, огибающие которых изменяются по гармоническому закону:

разностной частоте Лео, а указанные частоты модуляции соизмеримы, т. е. £Д Q2 ^ Лео.

Можно показать [2], что в этом случае подавление слабого высоко­ частотного колебания сильным колебанием будет характеризоваться

показывающим, что подавление слабого колебания по сравнению с оп­ ределяемым по (8.101) уменьшается вдвое.

Исследования показывают, что при сильной инерционности детек­ тора на разностной частоте Дсо (Лео > Q1( Лео > Q2) подавление слабо­ го колебания сильным будет отсутствовать.

8.10. Синхронный детектор

До сих пор рассматривалось детектирование переменных напряже­ ний в нелинейных системах. Синхронный детектор представляет со­ бой линейную систему с периодически изменяющимися параметрами. В этом принципиально новом типе детектора отсутствует подавление

от случая, рассмотренного в § 8.9, частоты гетеродинного и принимае­ мого колебаний равны (сос = сог). Поэтому синхронный детектор пред­ ставляет собой, по-существу, некоторый преобразователь частоты с раз­ ностной частотой выходного напряжения, равной нулю (/пр = | / с —

— Д, | = 0). В качестве примера рассмотрим синхронный детектор на пентоде (рис. 8.26). В нем под действием большого гетеродинного на­ пряжения крутизна пентода периодически изменяется с частотой вы­ сокочастотного напряжения; одновременно на управляющую сетку воздействует принимаемый слабый сигнал, который не влияет практи­ чески на изменение крутизны пентода (Ur > U0).

Крутизну ламповой характеристики, как периодическую функцию времени, разложим в ряд Фурье

313

Тогда переменную составляющую выходного тока можно представить в виде

В выражениях (8.109), (8.110) принято озс = озг и для удобства учтена только фаза принимаемого сигнала фс, а фаза напряжения гетеродина принята равной нулю (фг = 0),

L ---J

5

Рис. 8.26

В отличие от нагрузки обычного преобразователя частоты нагруз­ кой синхронного детектора является пассивная ЯС-цепь. Заметное напряжение на выходе детектора будет создаваться составляющей тока

где Sx — амплитуда 1-й гармоники крутизны ламповой характеристи­

ки.

Как и прежде, полезным напряжением на выходе детектора является AL/вых (0 — (/), представляющее собой отклонение от среднего значения постоянного напряжения (У=0 и соответствующее средней амплитуде принимаемого сигнала U0, т. е.

Таким образом, напряжение на выходе синхронного детектора ли­ нейно зависит от амплитуды принимаемого сигнала, причем наиболь­ шее значение выходного низкочастотного сигнала обеспечивается толь­ ко при равенстве фаз гетеродинного и принимаемого колебаний, т. е. при фс =0. При начальных фазах гетеродинного напряжения фг Ф О и принимаемого сигнала фс ^ 0 необходимо обеспечение ф = |фс —

— фг | = 0. Очевидно, при несовпадении фаз двух высокочастотных напряжений напряжение низкочастотного сигнала на нагрузке детек­ тора будет уменьшаться и при значении ф — я/2 станет равным нулю. Заметим, что в общем случае при несовпадении частот бзг и <йс и началь­ ных фазах фг и фс фазовый сдвиг двух колебаний равен фх = (ort —

— озct -f фр — фо = ф0 + ф, где ф0 ■== о)ct — озс/ — разность фаз,

314

обусловленная разностью частот двух колебаний. Наличие ф0 является характерной особенностью фазовых детекторов, рассматриваемых в гл. 9.

Как видно из (8.112), для получения максимального значения на­ пряжения на выходе детектора следует обеспечить также максимальное значение амплитуды 1-й гармоники крутизны Sx. Это значение 5 Х=* = 51макс получается, как известно, при угле отсечки анодного тока,

равном 0 = 120°.

В соответствии с определением (8.9) коэффициент передачи синхрон­

и получается наибольшим при условии фс = 0, а максимальное его

Следовательно, эффективность детектирования в синхронном детек­ торе определяется фазой высокочастотного заполнения принимаемого сигнала. При одновременном воздействии на синхронный детектор двух сигналов, например полезного сигнала в смеси с напряжением шума, причем при отношении сигнал/шум, меньшем единицы, можно выде­ лить полезный сигнал при ослаблении сильной помехи. Для этого час­ тота и фаза сигнала и гетеродинного напряжения должны быть равны, т. е. принимаемый сигнал должен быть синхронным, когерентным с сильным гетеродинным сигналом (юс = юг, фс = фг). В этом случае будет отсутствовать подавление слабого сигнала сильной помехой. По существу, из-за сильного гетеродинного сигнала улучшается отно­ шение сигнал/помеха и на входе детектора оно как бы становится боль­ ше единицы.

Параметры нагрузки детектора, образующей фильтр низких час­ тот, выбирают, как и в случае обычного нелинейного детектора модули­ рованного высокочастотного напряжения, из условий безынерцион­ ное™ детектора и допустимых частотных искажений и фильтрации вы­ сокочастотных составляющих выходного тока или напряжения. На рис. 8.26, б изображена одна из возможных схем приемника с синх­ ронным детектором. Во вспомогательной цепи этой схемы узкополос­ ный резонансный фильтр настроен на несущую частоту / пр, напряжение с выхода которого после усиления в УПЧ поступает на синхронный детектор одновременно с принимаемым сигналом, снимаемым с выхода последнего каскада основного УПЧ. Трудность обеспечения равенства фаз гетеродинного и принимаемого сигналов препятствует широкому применению синхронных детекторов в схемах приемников.

8.11. Особенности детектирования импульсных сигналов

При детектировании периодической последовательности радио­ импульсов рассматривают задачи импульсного и пикового детектиро­ вания. Импульсное детектирование, практически реализуемое в любом приемнике импульсных сигналов, заключается в превращении каждого

318

радиоимпульса в видеоимпульс; при этом нередко требуется, чтобы напряжение каждого видеоимпульса по форме мало отличалось от огибающей соответствующего радиоимпульса. При пиковом детекти­ ровании необходимо получить огибающую всей последовательности радиоимпульсов, которая может быть амплитудно-модулированной (рис, 8.27). Такое детектирование встречается в радиолокационных приемниках с коническим сканированием, в устройствах автоматичес­ кого управления и регулирования, а также в электроизмерительной технике; на выходе пикового детектора выделяется напряжение, про­ порциональное пиковому значению входных импульсов С/„ик.

Напряжение на Выходе детектора радиоимпульсов

Напряжение на выходе пикового дет ект ора

Л8ых ^

t

Рис. 8.27

Рассмотрим детектирование радиоимпульсов, осуществляемое практически в любом приемнике импульсных сигналов и представляю­ щее с этой точки зрения наибольший интерес.

Периодическую последовательность радиоимпульсов будем харак­

(рис. 8.27). В детекторе радиоимпульсов отдельные импульсы не на­ кладываются друг на друга и поэтому детектирование каждого радио­ импульса можно рассматривать независимо. Основная задача детекти­ рования радиоимпульса с некоторой огибающей U (t) заключается в обеспечении минимальных искажений, вызванных переходными про­ цессами в детекторе. Обычно они характеризуются временем установ­ ления переднего фронта ty и временем спада заднего фронта импульса tCu, причем эти времена неодинаковы. Амплитуда импульса спадает до нуля и для воспроизведения заднего фронта импульса требуется, чтобы выпрямленное напряжение на нагрузке детектора спадало быстро, что соответствует условию U_, (t) ^ U (t). Однако детектор может воспро-

316

изводить задний фронт импульса без существенных искажений только при весьма малых значениях постоянной времени нагрузки детектора (т = RC, причем / ? > / ? ; , где R t — внутреннее сопротивление детек­ тора).

Анализ переходных процессов проводят в системе усилитель—де­ тектор, поскольку существует бзаимное влияние процессов установле­ ния напряжений на входе и выходе детектора (рис. 8.28). Действитель­

широкополосен и не вызывает искажений формы импульса. В действительности кас­ кад УПЧ или усилитель в целом вносит

Время установления выпрямленного напряжения (/) на нагруз­ ке детектора определяется скоростью заряда емкости С нагрузки и за­ нимает несколько периодов высокой частоты импульсного сигнала t y « « (2 -г 3) Т0 (рис. 8.29, б). При амплитуде сигнала, обеспечивающей режим линейного детектирования, начальный угол отсечки равен 0 = = 90° и с ростом напряжения на выходе детектора уменьшается; уста­ новившееся значение угла отсечки определяется из известного соотно­ шения

Изменение угла отсечки меняет входное сопротивление детектора от Rbxo — 2Rt при © = 90° до /?вху при 0 = ©у (рис. 8.29, в). Следова­ тельно, контур первоначально шунтируется малым входным сопротив­ лением. При низком эквивалентном сопротивлении R d —R KR B«Л/?* 4- + Явхо) и широкой полосе пропускания контура скорость установле­ ния колебаний на контуре наибольшая, а амплитуда, к которой стре­ мится установиться колебание, наименьшая. С увеличением входного сопротивления (увеличение R B) будет увеличиваться амплитуда, соответствующая установливающемуся значению, и одновременно с этим будет уменьшаться скорость установления напряжения вследст­ вие сужения полосы пропускания контура. Степень взаимодействия процессов установления колебаний на контуре UK(() и на нагрузке детектора U^(t) в общем случае определяется параметрами контура усилителя и нагрузки детектора.

После прекращения действия импульса напряжение на входе де­ тектора исчезает мгновенно. Диод запирается и ток через него не про­ текает. Емкость С разряжается через сопротивление нагрузки детек­ тора по экспоненциальному закону. Форма напряжения видеоимпульса на выходе детектора изображена на рис. 8.29, г. За длительность уста­ новления импульса (у принимают интервал, в течение которого выход­ ное напряжение достигает 90% своего установившегося значения; за длительность спада импульса (сп — интервал, в течение которого вы­ ходное напряжение спадает до 10% от установившегося значения.

В ряде работ приведен детальный теоретический анализ системы усилитель— детектор [1, 4]. В них получены выражения для ty и tca импульсов; в частности, согласно [1] эти величины можно опреде­ лить как

cos ev

L = 5C(RK+ 2Rt)

где R к, #вху> cos ©у — резонансное сопротивление контура, входное сопротивление и коэффициент передачи детектора в установившемся режиме соответственно.

Наиболее просто решается вопрос об искажениях спада импульса. Спад импульса представляет собой экспоненциальную кривую, из­ меняющуюся с постоянной времени цепи нагрузки детектора RC, что вытекает из закона убывания выходного напряжения после окончания действия радиоимпульса на входе детектора:

Очевидно, для воспроизведения формы импульса с наименьшими искажениями следует уменьшать постоянную времени нагрузки, что связано, в свою очередь, со снижением коэффициента передачи и вход­ ного сопротивления детектора. Обычно величину R определяют с по­ мощью выражения

318

где Смив — минимальная емкость нагрузки с учетом входной емкости видеоусилителя и монтажной емкости, причем

полностью разрядиться за время, соизмеримое с периодом высокочас­ тотного напряжения. Поэтому для предотвращения резкого уменьше­ ния коэффициента передачи детектора следует обеспечить выполнение условия RC ^ (1 2)Т0.

Что касается искажений фронта импульса, зависящих от парамет­

показывающее, что сопротивление контура может оказывать основное влияние на величину времени установления.

При весьма малой величине сопротивления R , когда выполняется условие SR ^ 1, величина времени установления примерно равна

т. е. в этом случае /у « /сп.

Список литературы

1.Г у т к и н Л. С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование. М., Госэнергоиздат, 1953.

3.О с и п о в Е. Е. О применении формулы Тейлора для анализа детекторов малых сигналов на туннельных и обращенных диодах. — «Радиотехника», 1969, т. 24, № 9.

4.Г у т к и н Л. С., Ч е и ц о в а О. С. Переходные процессы в системе: усили­ тель высокой частоты — детектор. — «Радиотехника», 1958, № 11.

9. Частотные и фазовые детекторы

9.1. Общие сведения о частотных детекторах

Частотные детекторы, применяемые в радиоприемниках, выполняют обычно одну из следующих двух функций: 1) преобразование частотномодулированного сигнала в напряжение, которое изменяется во вре­ мени в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала и 2) преобразование отклонения несущей частоты сигнала от ее номи­ нального значения в постоянное напряжение, величина и знак которо-

810