3.7. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Детекторы АМ-сигналов предназначаются для преобразования модулированного электрического колебания высокой частоты в напряжение (ток), изменяющееся по закону модуляции. Детекторы на нелинейных элементах строятся по структурной схеме, показанной на рис. 3.14.

Детектируемое напряжение описывается уравнением:

u_вх(t) = U_ma ( 1 + m cosΩt) cos ω₀ t, (3.58)

где U_ma – амплитуда напряжения несущей частоты.

При отсутствии нелинейных искажений в детекторе, напряжение на его выходе:

u_вых(t) =U_mΩcosΩt, (3.59)

где U_mΩ – амплитуда низкочастотного напряжения на выходе из детектора.

Процесс такого преобразования сигнала показан на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Процесс преобразования АМ-сигнала при детектировании

Простейшим и широко используемым является нелинейный диодный детектор, имеющий последовательную или параллельную схему включения диода (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схема последовательного диодного детектора АМ-сигнала

Рассмотрим качественно явление, происходящее при детектировании. Предположим, что нелинейный элемент обладает вольтамперной характеристикой:

i_вых =f(u_вх).(3.60)

При воздействии на детектор амплитудно-модулированного напряжения в его выходной цепи протекает ток в виде высокочастотных импульсов с огибающей модулированного колебания (рис.3.17).

Рис. 3.17. Образование импульсов тока в выходной цепи детектора

В спектре тока имеются колебания несущей частоты и ее гармоники, постоянная составляющая и составляющая с частотой модуляции. Среднее значение тока нелинейного элемента на период высокочастотного напряжения прямо пропорционально площади импульса тока, протекающего через нелинейный элемент в данный период. Площадь синусоидального импульса прямо пропорциональна его максимальному значению, а огибающая импульсов по своей форме соответствует огибающей входного модулированного колебания. Поэтому и усредненное по периоду высокой частоты значение тока нелинейного элемента изменяется по закону модуляции. Таким образом, для выделения сигнала, изменяющегося по закону модуляции, достаточно произвести усреднение выходного тока (или напряжения) детектора.

Усреднение (или фильтрация) выходного напряжения детектора осуществляется с помощью нагрузки в виде фильтра, составленного из резистора Rи емкости C. Постоянная времени этой цепи обычно выбирается из условия:

T << RC << T _Ω , (3.61)

где T – период высокочастотного колебания, T_Ω – период низкочастотного колебания.

При выполнении условия (3.61) детектор безынерционен по отношению к модулирующему напряжению и поэтому называется безынерционным. При нарушении неравенства RC<<T _Ω детектор становится инерционным, в результате модулирующей сигнал воспроизводится в искаженном виде. Обычно условие безынерционности детектора предполагается выполненным.

Для детектирования импульсных радиосигналов применяются схемы обычных амплитудных детекторов, которые отличаются параметрами элементов.

Рис. 3.18. Работа импульсного (а) и пикового (б) детекторов

Детектор импульсных радиосигналов осуществляет выделение огибающей каждого входного радиоимпульса, выделение последовательности входных радиоимпульсов. В первом случае на выходе детектора формируются импульсы различной амплитуды (видеоимпульсы). Такой детектор называют импульсным (рис. 3.18а). Во втором случае последовательность импульсов высокой частоты преобразуется в напряжение, форма которого повторяет форму огибающей последовательности. Поскольку выходное напряжение в этом случае пропорционально максимальному (пиковому) значению амплитуды импульсов последовательности, детектор называют пиковым (рис. 3.18б). Так как частота изменения огибающей последовательности импульсов существенно меньше частоты следования импульсов, то фактически импульсный и пиковый детекторы различаются только величиной постоянной времени цепи нагрузки.