Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№09

Детектирование сигналов с угловой модуляцией

При детектировании ЧМ- и ФМ-сигналов они предварительно преобразуются в колебания с неглубокой амплитудной модуляцией и затем детектируются ам­плитудным детектором. Подобное преобразование необходимо потому, что не­линейные элементы реагируют на изменения только амплитуды, а не частоты и фазы колебаний.

Частотный детектор. Для выделения передаваемого полезного сигнала из частотно-модулированного колебания применяют частотные детекторы. Преоб­разование частотной или фазовой модуляции в амплитудную можно осущест­вить с помощью различных линейных цепей, в частности резонансного контура, амплитуда напряжения на котором зависит от частоты входных колебаний. По­ложим, что колебательный контур настроен на частоту ω_р и на него подается однотональный ЧМ-сигнал с постоянной амплитудой и меняющейся по гармо­ническому закону частотой ω(t) = ω₀ + ω_дcosΩt (здесь ω₀ — частота несущего; ω_д — девиация частоты). Поскольку модуль полного сопротивления колебательно­го контура зависит от частоты, то амплитуда напряжения на нем будет изме­няться во времени при отклонениях частоты ЧМ-сигнала от несущей ω₀. Данное положение иллюстрируется рис. 4.19, где соответственно показаны: зависимость амплитуды напряжения на контуре от частоты U_к(ω); изменения во времени час­тоты ω(t) ЧМ-сигнала и амплитуды U_к(t) колебания на выходе контура.

Таким образом, амплитуда ЧМ-колебания на выходе резонансного контура изменяется во времени пропорционально гармоническому модулирующему сиг­налу, т. е. ЧМ-сигнал преобразуется в напряжение, модулированное еще и по амплитуде. Затем такое, достаточно сложное по структуре АМ-ЧМ-колебание, детектируется амплитудным детектором.

Недостаток данного метода детектирования — весьма ограниченный линейный участок на скате резонансной кривой контура.

Частотный дискриминатор. На рис. 4.20 представлена упрощенная схема ЧМ-детектора (частотного дискриминатора), используемая во многих приемниках ЧМ-сигналов, а также в устройствах измери­тельной техники и автогенераторах гармо­нических колебаний для автоматической подстройки частоты. Схема этого ЧМ-детектора содержит резонансный усили­тель-ограничитель на ОУ, к выходу кото­рого подключены два индуктивно связан­ных контура, настроенные на несущую частоту ω₀ и осуществляющие преобразо­вание ЧМ-сигнала в АМ-ЧМ-колебание. Преобразованное подобным образом сложное колебание детектируется одновременно двумя идентичными АМ-детекторами, соединенными последовательно. Конденсатор С_р в схеме — раз­делительный, конденсатор С_п — блокировочный, а дроссель L_др преграждает путь протеканию току высокой частоты через нагрузку детектора.

Рис. 4.19. Преобразование ЧМ-сигнала

в АМ-ЧМ-колебание

Принцип действия этого частотного детектора заключается в линейном преобразовании отклонения частоты в изменение фазового сдвига высо­кочастотного колебания и соответственно изменения направления вектора амплитуды с последующим амплитудным детектированием. Для пояснения его работы обратимся к векторным диаграммам (рис. 4.21, а — в). На этих диаграммах векторы напряжений отражают разности потенциалов между точками 0, А, В и D показанными на рис. 4.20. Поскольку контуры усилите­ля и амплитудных детекторов имеют индуктивную связь, то одно из напря­жений U₂/2 на входах диодов синфазно, а другое — противофазно выходному напряжению операционного усилителя U₁.

Рис. 4.20. Частотный детектор

Амплитудные детекторы реагируют на амплитуду высокочастотного вход­ного колебания, поэтому важны напряжения, поступающие на аноды диодов VD1 и VD2 (напряжения U_D1 и U_D2). Напряжение на аноде диода VD1 равно сумме двух напряжений: U_D1 = U₁ + U₂/2; соответственно напряжение на аноде диода VD2: U_D1 = U₁ − U₂/2.

В отсутствие модуляции, когда частота ЧМ-сигнала ω₀ совпадает с резо­нансными частотами ω_р контуров, напряжение U₁ в контуре усилителя опе­режает по фазе ток I₁ на 90°. При этом напряжения U₂/2 и −U₂/2 на контурах амплитудных детекторов также опережают по фазе ток I₁ входного контура на 90°. Соответствующая этому случаю векторная диаграмма приведена на рис. 4.21, а. Напряжения U_D1 и U_D2 на диодах амплитудных детекторов при этом равны, и выходное напряжение U_вых = 0.

Рис. 4.21. Векторные диаграммы к частотному детектору: а — в отсутствие модуляции;

б — частота выше резонансной, в — частота ниже резонансной

При отклонении мгновенной частоты ЧМ-сигнала ω от резонансной ω_р на вели­чину Δω напряжение U₁ на контуре усилителя получит по отношению к току I₁ до­полнительный фазовый сдвиг ± φ, знак и величина которого определяется ФЧХ па­раллельного контура (см. рис. 3.13, б). Векторные диаграммы напряжений на конту­рах на частотах ЧМ-сигнала выше и ниже резонансной приведены соответственно на рис. 4.21, б, в. Очевидно, что в этих случаях на­пряжения U_D1 и U_D2 не будут равны, вследствие чего на выходе ЧМ-детектора появится выходное напря­жение U_вых, отражающее передаваемое сообщение. Зависимость выходного напряжения U_вых от ве­личины Δω = ω − ω₀ называется детекторной характеристикой, типичный вид которой пред­ставлен на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Детекторная характеристика

ЧМ-детектор на интегральном аналоговом перемножителе. Большинство современных де­текторов ЧМ-сигналов в радиоприемных устройствах выполняют на интеграль­ных аналоговых перемножителях. В такой схеме (рис. 4.23) на входе аналогового перемножителя (ПС) включают параллельный резонансный контур, настроен­ный на несущую частоту, а на выходе — ФНЧ, который выделяет полезный сиг­нал.

Пусть на вход ЧМ-детектора на аналоговом перемножителе поступает немодули-рованное гармоническое напряжение u_вх(t) = U_вхcosωt. Аналоговый пере­множитель обладает большими входными сопротивлениями, поэтому его вхо­ды практически не потребляют токи, и весь входной ток i_вх(t) = I_вхcosωt проте­кает через емкость С1 и параллельный LC-контур. Поскольку напряжение на конденсаторе С1 отстает от тока по фазе на π/2, то напряжение на входе пере­множителя

где U_C— амплитудное значение напряжения на конденсаторе С1, U_K — амплитудное значение напряже­ния, а фазовый сдвиг

здесь Δω = ω − ω₀ — абсолютная расстрой­ка; Q — добротность контура.

Рис. 4.23. Схема ЧМ-детектора на

аналоговом перемножителе

С помощью (4.40) и (4.41) определим на­пряжение на выходе перемножителя. Исполь­зуя тригонометрическую формулу детектора на аналоговом произведе­ния косинусов, запишем

Включение в схему ФНЧ позволяет избавиться от составляющей с удвоен­ной частотой, поэтому выходное напряжение детектора

Как правило, в резонансном контуре справедливо , и поэтому . С учетом этого равенства получим:

Итак, согласно соотношению (4.44), схема детектора, представленная на рис. 4.23, осуществляет линейное детектирование ЧМ-сигналов, при котором выходное напряжение пропорционально отклонению частоты сигнала от не­сущей.

Фазовый детектор. Схема фазового детектора преобразует ФМ-колебание в низкочастотное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигна­ла. Напряжение на выходе ФМ-детектора определяется разностью фаз двух сравниваемых сигналов (рис. 4.24, а): ФМ-колебания и опорного напряжения , вырабатываемого генератором опор­ного напряжения.

Амплитуды напряжений на входах диодов можно определить с помощью векторной диаграммы (рис. 4.24, б). Из нее следует, что

Полученные сигналы затем преобразуются AM-детекторами с коэффици­ентом передачи k_д, и на нагрузках схемы возникают два напряжения: и .

Результирующее напряжение на выходе фазового детектора:

Амплитуду опорного напряжения в фазовых детекторах выбирают намного больше амплитуды ФМ-колебания, т. е. (обычно в 3...5 раз и бо­лее). Это делается для «вывода» полезного сигнала из напряжения шумов, поскольку они часто соизмеримы по амплитуде и сигнал может быть иска­жен. В этом случае выражение (4.44) можно представить упрощенно

. (4.47)

Из соотношения (4.47) следует, что низкочастотное напряжение на выходе фазового детектора изменяется практически в соответствии с фазой ФМ-колебания.

Рис. 4.24. Фазовый детектор: а — схема; 6 — векторная диаграмма

В интегральном исполнении широко применяют ФМ-детекторы на основе аналоговых перемножителей напряжений. В последние годы предпочтение отдается цифровым фазовым детекторам, обладающим высокой помехозащи­щенностью.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

4