7.4. Детектирование сигналов

Детектирование (демодуляция) – нелинейный процесс, в результате которого из модулированного высокочастотного сигнала выделяется низкочастотный сигнал сообщения. Детектирование - это радиотехнический процесс обратный модуляции и поэтому его часто называют демодуляцией.

7.4.1. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов.

Амплитудный детектор (АД). Процесс детектирования рассмотрим для случая АМ-сигнала с однотональной модуляцией:

. (7.24)

После детектирования мы должны получить низкочастотный сигнал сообщения Поскольку в спектре высокочастотного модулированного сигналане содержится низкочастотная составляющая с частотой, то возникает необходимость в изменении спектра высокочастотного модулированного сигнала с последующим выделением низкочастотной составляющей сигнала сообщения. Этим определяется структурная схема АД (рис. 7.7а), в которой нелинейный элемент, преобразует спектр АМ- сигнала, а с помощью фильтра низких частот (ФНЧ) из преобразованного спектра выделяется низкочастотный сигнал сообщения.

В качестве нелинейного элемента в АД чаще всего используются высокочастотные диоды, а в качестве фильтра нижних частот (ФНЧ) обычно используют RC- цепочку в виде параллельного соединения резистора и конденсатора. Принципиальная схема диодного АД с последовательным включением диода представлена на рис. 7.7б. Величину емкости конденсатора C и сопротивления резистора R выбирают из условия, чтобы RC-цепь эффективно выделяла полезный низкочастотный сигнал сообщения и подавляла паразитные высокочастотные составляющие спектра, преобразованного диодом модулированного высокочастотного сигнала. Для этого необходимо выполнение неравенства:

, (7.25)

где – несущая частота;– верхняя частота спектра низкочастотного сигнала сообщения.

а) б)

Рис. 7.7. Схемы детекторов амплитудно-модулированных сигналов

а) структурная схема;

б) схема диодного амплитудного детектора

Квадратичное детектирование. При подаче на вход детектора амплитудно-модулированного сигнала с малой амплитудой (0,3 В) вольт-амперная характеристика диода достаточно точно аппроксимируется полиномом второй степени:

. (7.26)

Пусть на вход амплитудного детектора поступает сигнал вида

. (7.27)

Подставив (7.27) в (7.26), получим

(7.28)

Из этого выражения видно, что вследствие нелинейности ВАХ диод изменил спектр выходного тока. На выходе диода ток содержит постоянную составляющую, низкочастотную составляющую и две высокочастотные составляющие с частотами и. ФНЧ отфильтрует высокочастотные составляющие. Разделительный конденсаторне пропускает на выход детектора постоянное напряжение, возникающее на резистореR за счет протекания постоянной составляющей тока. Низкочастотная составляющая тока, которая несет информацию,

, (7.29)

протекая через резистор R, образует выходное напряжение детектора, пропорциональное квадрату амплитуды входного сигнала

. (7.30)

Поэтому такое детектирование называется квадратичным.

В случае модуляции однотональным низкочастотным сигналом получим

(7.31)

Как видно из (7.31), при квадратичном детектировании выходное напряжение кроме полезного сигнала с частотой содержит составляющую с удвоенной частотой 2, которая порождает нелинейные искажения передаваемого сигнала. Поэтому квадратичное детектирование используется, например, для детектирования радиоимпульсов прямоугольной формы. Ввиду больших нелинейных искажений, квадратичное детектирование не применяется в радиовещании.

Линейное детектирование. При подаче на вход детектора сигнала с большой амплитудой (= 0,5…1,0 В) работу линейного детектора обычно рассматривают, считая диод идеальным, а его вольт-амперную характеристику аппроксимируют кусочно-линейной зависимостью

(7.32)

Как видно из рис. 7.8 ток через диод протекает только часть периода, т.е. диод работает в режиме отсечки с углом отсечки <90⁰. В спектре импульсов тока содержится низкочастотная (нулевая) составляющая, основная гармоника с частотой и бесконечное количество гармоник с частотами кратными(см. ряд Фурье). В соответствии с неравенством (7.25), из всего спектраRC-фильтр низких частот выделит составляющую с n=0, которая изменяется по закону низкочастотного информационного сигнала,

. (7.33)

Низкочастотный ток, протекая через резистор R, образует напряжение

, (7.34)

где – коэффициент нулевой гармоники.

В стационарном режиме на диоде действует напряжение . Угол отсечки определяется из условия:а отсюда

. (7.35)

Подставив в (7.35) выражение для (7.34) с явным представлением , получим

. (7.36)

Откуда получим уравнение, определяющее угол отсечки :

, (7.37)

из которого следует, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала, а полностью определяется параметрами схемыS и R. Поэтому, согласно (7.34), на выходе детектора напряжение прямо пропорционально амплитуде входного сигнала. На основании линейной зависимости выходного напряжения от амплитуды входного модулированного напряжения, рассмотренный вид детектирования получил название линейное детектирование. Здесь фактически присутствует отрицательная обратная связь, стабилизирующая угол отсечки и, следовательно, линейный режим работы детектора.

Рис. 7.8 Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ диода и временные диаграммы, поясняющие процесс линейного детектирования

Однако следует отметить, что линейное детектирование осуществляется в нелинейной цепи, в которой диод работает с отсечкой тока.