Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

6.6. Синхронный детектор амплитудно-модулированных сигналов

Избирательные свойства детектора могут быть полезно использованы для выделения желательного сигнала [26].

Условия лучшего прохождения полезного сигнала можно создать путем введения в цепь детектора большого напряжения гетеродина, которое увеличило бы амплитуду несущего колебания полезного сигнала. В этих условиях полезный сигнал с искусственно увеличенным несущим колебанием выступает как сильный сигнал, обусловливающий подавление всех других сигналов, подводимых к детектору.

Структурная схема синхронного детектора показана на рис. 6.25. На вход безынерционного нелинейного или параметрического

.гвтерабин

Цепи

синхронизация

Рис. 6.25

прибора поступает множество сигналов с несущими частотами ри,

р, ..., рт. Одновременно к этому прибору подводится напряжение местного гетеродина, частота которого и фаза равны частоте и фа-

зе желательного сигнала. Синхронизация частоты и фазы колебаний гетеродина достигается специальными цепями синхронизации. Если амплитуда гетеродина велика по сравнению с любой из амплитуд входных сигналов, то все сигналы, за исключением желательного сигнала, например, на частоте „=. будут создавать

биения с колебанием гетеродина.

В результате детектирования суммарного колебания модуляция всех сигналов будет перенесена на соответствующие частоты

биений, лежащие за пределами полосы пропускания фильтра ниж- них чаетот (ФНЧ), включенного на выходе прибора. Из-за асим-

метрии кривой биений мешающие станции создадут составляющие низких частот ©; в полосе пропускания этого фильтра. Уровень каждой из этих составляющих определится формулой (6.55), т. е.

От о: = Кат Ото: (Ито! Ото), где ИжоОтоЕ Чт= Итг.

181

Очевидно, при неограниченном увеличении амплитуды гетеродина Ошг напряжения частот модуляции нежелательных сигналов могут быть сколь угодно малыми.

К основным преимуществам синхронного детектора относятся:

|) малые нелинейные искажения желательного сигнала вследствие работы детектора при достаточно большом напряжении

местного гетеродина в режиме детектирования сильных сигналов; 2) избирательность, формируемая в детекторе, достигается за счет применения элементов с фиксированной настройкой — фильт-

ром низких частот; 3) увеличение отношения желательного сигнала к помехе за

счет увеличения амплитуды напряжения синхронного гетеродина, подводимого к детектору (при условии эффективной фильтрации

колебаний с частотами биений).

Указанные преимущества синхронного детектирования АМС реализуются лишь при точной синхронизации местного гетеродина

< несущим колебанием желательного сигнала и при безынерционном режиме детектора. Если возникнет расхождение частот гете-

родина и несущего колебания полезного сигнала, то прием будет

сопровождаться сильной помехой в виде биений с частотой, рав-

ной ||—К|. При К-№=0 возможен сдвиг фаз ф между указан- ными колебаниями. Определим, как зависит выходное напряжение синхронного детектора от угла сдвига фаз между несущими колебаниями гетеродина и сигнала.

Амплитуда суммарного напряжения колебаний иг и ис, имею- щих одинаковые частоты и постоянный фазовый сдвиг ф,

Отд = Ут а -+ 20 тг О плс Ф. Вынесем за знак корня Ишг и получим

От; = От (1- ху”,

где х= [О - 2 (ОО иг) с0з ф«1, так как обыйно И От. Разложим Иштх в степенной ряд и удержим члены не выше вто-

рой степени:

Ин 2 Ишь (1-0 и 608 ФИих -- И эт Ф/2 ,). = (6.56)

Если входное напряжение имеет амплитудную модуляцию вида

Ил = От (1+ пизш 911), то амплитуда напряжения с частотой ©: на выходе линейного детектора

_Ито ^ т, Ито (с0$Ф-- Ито: 311? Ф/О т) Ка.

Из полученного соотношения можно определить фазовый сдвиг напряжения гетеродина, при котором выходное напряжение Иж ол будет максимальным. Максимум наступает при фо=0-+кл. При этом

И о1шах = ПИ От Ка.

При небольшом рассогласовании фаз Ито = Кат! Ото1со$ ф. При ‚сдвиге фаз, близком к л/2, т. е. при ф= (л/2) Ч, где Ч = Ото/ ть

.182

амплитуда выходного напряжения Ио! =0. Таким образом, при, разности фаз напряжения местного гетеродина и напряжения несущего колебания входного сигнала, равной (л/2) +4, происходит. полное подавление полезного сигнала. Эта особенность синхронного детектора позволяет осуществить разделение радиоканала для передачи сообщений двум корреспондентам на одной несущей. Ес-

ли передавать параллельно два независимых сообщения на одной несущей частоте, а колебания несущих частот в каждом из кана-

лов сдвинуть по фазе на угол л/2, то в месте приема сообщения

будут разделены синхронными детекторами. Эти возможности могут быть использованы в системе двухпрограммного вещания на

одной несущей и в совмещенной системе цветного телевидения, где цветовая информация передается двумя цветоразностными сигна-

лами на одной поднесущей.

Структурная схема выделения модулирующих сигналов синхронными детекторами изображена на рис. 6.26. На входы обоих.

детекторов Дет: и Дето поступает общий сигнал с напряжением несущей частоты р, которое содержит две составляющие со сдвигом фаз л/2. Каждая из этих составляющих имеет свой закон амплитудной модуляции. Одновременно к детекторам подводится напряжение от местного синхронного гетеродина. На Дето это напряжение подается со сдвигом фазы л/2. Модулирующее напряжение первого канала, несущее колебание которого синфазно с колебанием гетеродина, будет выделено на выходе детектора Дети.

Модулирующее напряжение так называемой «квадратурной»

составляющей несущего колебания здесь не будет выделяться, так как для него в этом канале соз ф=0. Модулирующее напряжение-

второго канала выделяется на выходе детектора Дето.

183

й

Синхронные детекторы позволяют также разделить модулирующие сигналы двух станций с перекрывающимися спектрами боковых частот модуляции [26].

Обратим внимание на то, что качество выделения желательного сигнала синхронным детектором определяется точностью синхро-

низации. Вопросы получения синхронного напряжения, необходимого для работы синхронного детектора, подробно исследовались Е. Г. Момотом [26]. Возможны три способа получения синхронного напряжения: 1) выделение несущего колебания желательного сигнала узкополосным фильтром и усилением его до необходимого значения; 2) захватывание колебаний местного гетеродина выделенным несущим колебанием; 3) автоподстройка местного гетеродина под выделенное несущее колебание с точностью до фазы.

Лучшие результаты, как показано в [26], дает совместное ис-

пользование двух последних способов.

Для получения высоких результатов при синхронном детектировании особое значение имеет помехоустойчивость блока синхронизации. Блок синхронизации Должен выделить только напряжение несущей частоты полезного сигнала. Отсюда следует, что избирательность этого блока должна быть значительно выше избирательности высокочастотного блока приемника двухполосных сиг-

налов. Существенное упрощение канала синхронизации возможно в системах связи, в которых к месту приема может быть передано

синхронное напряжение высокого уровня по каналам связи, прак-

Рис. 6.27

.

Интересную возможность реализации синхронного детектора -дает использование перемножителей функций [27]. В качестве перемножителя функций может быть триада транзисторов, применяемая в преобразователях частоты (рис. 6.27).

184

6.7. Детекторы импульсных сигналов

Импульсный сигнал характеризуется малой длительностью т по сравнению с периодом следования Т. Полезное сообщение передается путем изменения одного или нескольких параметров импульс-

ной последовательности.

При АИМ изменяется амплитуда импульса, поэтому выделение закона модуляции можно осуществить, используя амплитудный детектор с достаточно большой постоянной времени нагрузки. В этом детекторе постоянная времени нагрузки Ю„Сн должна выбираться значительно большей периода следования импульсов, но меньшей периода модуляции сигнала Ты. Закон изменения амплитуды воспроизводится при выполнении неравенства (6.45).

Детектор, выходное напряжение которого определяется амплитудными значениями последовательности импульсов, называют пи-

ковым детектором.

Учитывая, что в пиковом детекторе постоянная времени нагрузки АнС» выбирается значительно больше периода следования

где О =Т/т — скважность импульса.

Выражение (6.58) представляет собой уравнение характеристик выпрямления пикового детектора.

-185

Воспользуемся эквивалентной схемой детектора по отношению к выходным зажимам и запишем выражение для дифференциаль-

ного коэффициента усиления детектора:

Выражение дифференциального коэффициента усиления иде-

ального диодного детектора может быть использовано для расчета коэффициента усиления при полном изменении амплиту-

ды импульса т=|, поскольку характеристика диода предполагается линейной даже для близких к нулю входных напряжений:

Ка. =0-Ют=КаВКО-/=З) "Ки. (6.59)

дельта-модуляции необходимо сохранение формы импульса, т. е. необходимо получить напряжение, повторяющее закон изменения огибающей одиночного импульса. Эта задача решается импульс-

ным детектором. - В импульсном детекторе постоянная времени нагрузки должна

быть больше периода несущего колебания То, но меньше длительности импульса т.

Из известных типов детекторов АМС существенными преиму- ществами отличается диодный детектор. Такой детектор на полупроводниковом диоде представляет собой простое устройство, не требующее источников питания и практически устойчивое к перегрузкам. Поэтому диодный детектор широко используют в качестве импульсного детектора.

186

187

постоянная составляющая напряжения предыдущего каскада не подводилась к

+Г

ного напряження наличие постоянного напряжения Бо на конденсаторе Ср можио не учитывать

конденсатором Сн для токов высокой частоты, так как это было в после- довательной схеме

Физические процессы, происходящие в диодном детекторе, выполненном по параллельной и последовательной схемам, одинаковы Во время действия положительных полуволн входного напряжения происходит заряд конденсатора Ср через диод Когда напряженйе на конденсаторе окажется больше входного, кондеисатор Ср начнет разряжаться через элементы контура, источник пнтания и резистор нагрузки Кн Разряд будет до тех пор, пока мгновенное напряжение на контуре не окажется больше напряжения на кондеисаторе Су. Затем снова начнется заряд конденсатора через диод и процесс. повторится

Из рассмотрения работы устройства под действием входного напряжения можно сделать заключение о том, что конденсатор Ср в параллельной схеме де-

привести к нелинейным искажениям.

В детекторе, выполненном по параллельной схеме, на нагрузке Юн существует не только постоянная составляющая напряжения, полученная в результа-

те детектирования, но и переменное напряжение, подводимое к диоду через кои- денсатор Ср

Поэтому фильтрация высокочастотных колебаний в этом детекторе отсутствует. Необходимая фильтрация осуществляется специальным фильтром КзСф, изображенным иа рис 631. Элементы фильтра следует выбрать так, чтобы ои не уменыпал коэффициента передачи детектора для самых высоких частот модуляции (Ко ИОшах@), и, кроме того, обеспечивал необходимое ослабление несущего колебания (Юф > ИооСФ).

188

В режиме снльных сигналов диод нагружает контур в течение коротких промежутков времени, равных времени заряда конденсатора Ср Эта нагрузка,. как было показано ранее, эквивалентна входному сопротивлению Авх== == (1/2)Ю„ При параллельной схеме детектора кроме указанной нагрузки, обус- ловленной процессом детектирования, контур шунлируется резистором Юн неЗависимо от того, включен или выключен диод Поэтому входное сопротивление детектора, выполненного по параллельной схеме, оказывается меныце, чем

{1/2)Юн

щих частот и с относительно широкой полосой модулирующих частот возникают трудности разделения спектра частот модуляции и спектра высокочастот-

ного сигнала на выходе детектора В этих условиях не удается выбрать емкость конденсатора Сн так, чтобы-

одновременно удовлетворялись неравенства

которые определяют высокую эффективность детектирования и малый уровень нелинейных искажений Улучшение разделения спектра модулирующих частот й несущей частоты сигнала обеспечивает двухтактный диодный детектор (рис. 632) За счет двухтактного включения диодов происходит удвоение несущей частоты сигнала на выходе детектора

Обратим внимание на то, что на каждом из зажимов 2—2 относительно чулевого провода существует напряжение, ловторяющее закон изменения амп-

Аитуды положительных лнбо отрицательных полуволн входного напряжения В Связи с этим детектор, выполнениый по схеме рис. 6.33, при съеме иапряжений

189

с зажимов 2—2 относительно нулевой точки позволяет разделить модулирующие сигналы двух источников сообщений, передаваемые в системе с поляриой

модуляцией. По этой системе в СССР передаются стереофонические радновеща- тельные программы.

При использовании детекторов в анпаратуре на полупроводниковых приборах и микросхемах наличие довольно высокого порогового уровня входных. сигиалов, обеспечивающих линейный режим детектирования, существенно ограничивают динамический диапазон устройства.

Если принять максимальный уровень выходного напряжения детектора, ко-

Как было отмечено ранее, для диодного детектора Иж порА1/4. Подстав- ляя эту величину в соотношение (6.65), получаем Дав =—20]в а. При а=30 (ШВ) дниамический диапазон устройства не превысит

-Длдь = 20 1 3042 30 дБ.

[28].

На рис. 6.34 показана структурная схема амплитудного детектора, в кото- ром для расширения динамического диапазона использован операционный уси-

литель с болышим коэффициентом уснления Ко. Операционный усилитель име- ет два входа: неинвертирующий, к которому подвоится детеклируемое напряжение, и инвертирующий, к которому подводится постоянное напряжение с иагрузки детектора Кн. К выходу усилителя подключен детектирующий днод Д с нагрузкой в виде параллельного соединения резистора Ан и конденсатора Си.

Напряжение, действующее на выходе усилителя изых=Ко(ш=),— подво- дится последоватёльно с напряжением И= к зажимам диода.

В результате напряжение, подводимое к диоду,

Найдем параметры детектора. В режиме слабых сигиалов представим ток диода в виде степениого ряда:

= 1 (0) ЕР © и-+ (1/29 (02+ ...,

где и== Койс— (К+1)0-. -

190