3.8. Частотные и фазовые детекторы

Частотным детектором называют устройство, в котором осуществляется преобразование входного частотно-модулированного радиосигнала в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Частотно-модулированный сигнал

В настоящее время для частотного детектирования используют два наиболее распространенных метода.

Первый заключается в частотном детектировании напряжения, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного сигнала. Второй метод заключается в преобразовании синусоидального ЧМ-сигнала в импульсный с временной модуляцией (ВИМ). Преобразование импульсного сигнала ВИМ в низкочастотный заключается с помощью преобразователя «код – напряжение». Частотные детекторы первого типа можно условно назвать частотно-амплитудными, а второго – частотно-импульсными.

Рассмотрим детектор частотно-амплитудного типа.

Структурная схема состоит из двух элементов: преобразователя сигнала ЧМ в сигнал с амплитудой, изменяющейся соответственно изменению частоты, и амплитудного детектора.

Рис. 3.20. Детектор частотно-амплитудного типа

Первый элемент является линейным устройством, поэтому используемый здесь и далее термин «преобразователь ЧМ в АМ» не означает замену частотной модуляции амплитудной. Это лишь означает, что в результате зависимости коэффициента передачи от частоты напряжение на выходе преобразователя изменяется по амплитуде. Причем изменение амплитуды достаточно точно повторяет закон изменения частоты входного сигнала. Обычно сохраняется и изменение частоты. Но на дальнейшее преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный с помощью амплитудного детектора это изменение частоты не влияет.

При анализе частотного детектора предполагается, что радиосигнал ЧМ на входе частотного детектора имеет постоянную амплитуду. Однако в реальных условиях амплитуда входного ЧМ-радиосигнала оказывается переменной вследствие возникновения сопутствующей амплитудной модуляции в передатчике и приемнике и воздействия помех в линии связи.

В частотном детекторе частотно-амплитудного типа выходное напряжение преобразователя ЧМ в АМ и, тем более, амплитудного детектора будет зависеть не только от частоты, но и от амплитуды входного сигнала. В результате на выходе частотного детектора сигнал будет искажен за счет паразитной АМ. Устранение паразитной АМ осуществляется с помощью амплитудного ограничителя, включенного на входе частотного детектора, или благодаря физическим процессам, происходящим в самом детекторе.

Простейшим вариантом частотного детектора является одноконтактная схема с одиночным расстроенным контуром. Схема внешне совпадает со схемой амплитудного детектора (рис.3.16). Отличие в том, что контур L_кC_красстроен относительно средней частоты ω₀радиосигнала на ∆ω₀. Этот контур и используется в качестве преобразователя радио сигнала с ЧМ в напряжение с изменяющейся амплитудой (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Преобразование ЧМ в АМ с помощью одиночного колебательного контура

Амплитуда напряжения на контуре меняется по закону изменения частоты модулированного сигнала. Напряжение с контура подается на диодный амплитудный детектор. Вследствие того, что скаты резонансной характеристики не являются прямолинейными, в процессе преобразования сигнала ЧМ в сигнал с изменяющейся амплитудой возникают различные несимметричные нелинейные искажения. На практике обычно применяются более сложные схемы частотных детекторов (дифференциальный частотный детектор, дробный детектор и т.д.).

Фазовым детектором называют устройство, в котором фазомодулированный сигнал преобразуется в напряжение (или ток), изменяющееся по закону модуляции фазы. Для определения изменения фазы входного сигнала на фазовый детектор подается второй опорный сигнал с постоянной фазой.

Принцип фазового детектора заключается в амплитудном детектировании результирующего колебания, амплитуда которого зависит от разности фаз слагаемых колебаний:

u_1 = U_m1 cos(ωt + ₁ ), u_2 = U_m2 cos(ωt + ₂). (3.62)

Оба колебания подаются на преобразователь фазовой модуляции в амплитудную. Для этого преобразователь модуляции имеет два входа (рис. 3.22а).

Рис. 3.22. Фазовый детектор: а) структурная схема;

б) простейший однотактный детектор

Обозначим разность фаз слагаемых колебаний =₁ - ₂ , тогда модуль результирующего напряжения:

. (3.63)

На выходе амплитудного детектора с коэффициентом передачи K_д получим напряжение:

, (3.64)

которое зависит от разности фаз.

Эта зависимость представляет собой характеристику простейшего фазового детектора, содержащего один нелинейный элемент (рис. 2.22б). В таком однотактном детекторе характеристика имеет малый линейный участок, кроме того, напряжение не меняет знака при изменении фазы. На практике широкое применение получил двухтактный балансный фазовый детектор.