5.2 Детекторы ам-сигналов

Детектирование колебаний заключается в восстановлении модулирующего сигнала, который в неявной форме содержится в модулированном высокочастотном колебании. По своему назначению детектирование является процессом, обратным процессу модуляции. В тех случаях, когда требуется подчеркнуть это, наряду с термином “детектирование” (“обнаружение”) применяют термин “демодуляция” колебаний.

На вход детектора подается модулированное колебание, содержащее только высокочастотные составляющие: несущее колебание и боковые частоты. На выходе детектора появляется напряжение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения. Следовательно, детектирование сопровождается трансформацией частотного спектра и не может быть осуществлено без применения нелинейных элементов. В качестве таких элементов используются полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.

Предположим, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) нелинейного элемента описывается выражением

i = a+bu +cu². (5.10)

Если на входе действует АМ-сигнал

, (5.11)

то ток

(5.12)

Спектр сигнала до и после детектирования показан на рисунке 5.5, а, б. Как видно из рисунка, в низкочастотной части спектра, кроме составляющей с частотой модулирующего сигнала , есть еще постоянная составляющая и вторая гармоника модулирующего сигнала, которая приводит к искажениям. Так как низкочастотная составляющая пропорциональна квадрату амплитуды входного напряжения (используется начальный участок ВАХ – рисунок 5.6), то детектирование при малых амплитудах является квадратичным.

Во избежание искажений при детектировании необходимо, чтобы детектор обладал линейно-ломаной ВАХ, представленной на рисунке 5.7 или 5.8.

Рисунок 5.5 – Спектр АМ-сигнала при демодуляции с использованием

нелинейной характеристики

Рисунок 5.6 – ВАХ нелинейного элемента

Рисунок 5.7 – ВАХ однополупериодного детектора

Рисунок 5.8 – ВАХ двухполупериодного детектора

Аналитически ВАХ однополупериодного детектора можно записать в виде

(5.13)

двухполупериодного –

i = a U . (5.14)

Предположим, что в цепи с детектором, характеристика которого показана на рисунке 5.8 (двухполупериодное детектирование), действует АМ-сигнал (5.11). Для определения i нужно найти модуль напряжения U. Так как коэффициент модуляции m<1, то выражение (1+mcost) — всегда положительная величина. Разложение в ряд Фурье выпрямленной косинусоиды cosω₁t известно:

.

Следовательно, ток

(5.15)

Спектр сигнала после детектирования показан на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – Спектр АМ-сигнала при демодуляции с использованием

линейной характеристики

В составе спектра нет искажающих сигнал гармоник низкой частоты. Поэтому детектор с ВАХ, представленной на рисунке 5.7 или 5.8, называют линейным.

Процесс детектирования состоит из выпрямления АМ колебаний, в результате которого образуются импульсы несущей с огибающей, имеющей форму колебания передаваемого сообщения и выделения из этих импульсов исходного сигнала путем фильтрации высокочастотных составляющих спектра импульсов. Схема детектора с двухполупериодным выпрямлением представлена на рисунке 5.10, а временные диаграммы в различных точках – на рисунке 5.11.

Рисунок 5.10 – Двухполупериодный детектор

Рисунок 5.11 – Временные диаграммы работы двухполупериодного детектора

Простейшим фильтром нижних частот (ФНЧ) может служить конденсатор С, подключенный параллельно нагрузке R. Для выделения неискаженной огибающей сопротивление нагрузки R должно быть больше емкостного сопротивления на несущей частоте и меньше емкостного сопротивления этого же конденсатора на частоте модулирующего сообщения, т.е.

1/ω₁c << R < 1/c . (5.16)

В этом случае на выходе детектора отсутствуют составляющие высоких частот. При линейном детектировании спектр выходного сигнала не отличается от спектра модулирующего сообщения.

При демодуляции АМ-сигналов малой амплитуды целесообразно использовать детекторы на транзисторах (рисунок 5.12).

Детектирование происходит одновременно в цепях базы и коллектора, и, кроме того, детектированный сигнал усиливается, хотя коэффициент усиления транзистора в режиме детектирования значительно ниже, чем в режиме усиления.

Рисунок 5.12 – Детектор на транзисторе