8.4Типовые, традиционные чм демодуляторы Частотный демодулятор с двухтактным дискриминатором на двух взаимно расстроенных контурах

Так называемый однодиодный амплитудный дискриминатор не может быть использован для демодуляции широкополосных частотно-модулированных сигналов, так как линейность у него плохая и к.п.д. относительно низкий. Однако, удовлетворительные результаты можно получить применяя двухтактный дискриминатор. Высокая линейность выходной характеристики может быть достигнута, если в цепь дискриминатора включить два взаимно расстроенных контура, резонансные кривые которых разнесены по частоте относительно друг друга.

В этом случае один из контуров настраивается на частоту, находящуюся выше верхней границы принимаемой частотной полосы, а второй — ниже нижней границы. Достоинство двухтактного дискриминатора заключается в том, что нелинейности его резонансных характеристик частично компенсируются. Для получения высокой линейности точка f0("нулевая" частота дискриминатора), соединяющая две резонансные кривые, не может находиться далеко от точек, определяющих ширину полосы М (рис. 8.6).

Максимальная ширина частотной полосы, достижимая при использовании двухтактного дискриминатора составляет около 24 МГц.

На рис. 8.7 индуктивности катушек L1 и L2 вместе с выходными емкостями транзисторов VТ1 и VT2 образуют резонансные контуры, которые настраиваются на частоты 87 и 53 МГц (с учетом входных емкостей последующих каскадов). В резонансные контуры включены переменные резисторы R1 и R2, которые позволяют выровнять оба выходные напряжения R1и R2. Процесс детектирования осуществляется р-п-переходами база- эмиттер транзисторов VT3 и VT4.

Частотный демодулятор с линией задержки

Во многих случаях из-за занимаемой входным сигналом частотной полосы при приеме телевизионного вещания по спутниковым каналам необходима более широкая полоса, чем та, которую имеет двухтактный дискриминатор. Достаточно широкую полосу частот можно получить, например, используя частотный дискриминатор с линией задержки (рис. 8.8.). Здесь на делитель мощности 2 подается частотно-модулированный сигнал, а на вход смесителя 3 поступают два сигнала с равными амплитудами, но сдвинутые по фазе друг относительно друга. Прямой сигнал подается непосредственно на первый вход смесителя, который работает как кольцевой демодулятор-умножитель, и этот же сигнал через линию задержки (задержанный) — на его второй вход. В качестве линии задержки где е — диэлектрическая постоянная изоляционного материала-наполнителя между центральным проводом и экраном кабеля; — длина кабеля, см.

Если на демодулятор с линией задержки подается:

- немодулированная несущая (длина волны Х„частота 1,), то сдвиг (разность) фаз между прямым и задержанным сигналами составляет 90' в силу первоначального условия, и амплитуда напряжения на выходе смесителя равна нулю;

- модулированная несущая частотой f0+fm, то сдвиг фаз между прямым и задержанным сигналами изменяется от 90 до 180';

-модулированная несущая частотой f0— fm, то сдвиг фаз между прямым и задержанным сигналами изменяется от 90 до 0'.

Так как значения немодулированной несущей и значения "нулевой" частоты дискриминатора обычно совпадают, то первоначальный сдвиг фаз между ними равен 0, и кольцевой (диодный) смеситель работает как демодулятор-умножитель.

Соответствующие изменения амплитуды сигнала на выходе демодулятора при разных сдвигах фаз показаны на рис. 8.9, из которого видно, что получаемая зависимость обладает хорошей линейностью.

Ограничители уровня сигналов

Для удовлетворительной работы частотного демодулятора (как двухтактного, так и демодулятора с линией задержки) необходимо подать на вход частотно-модулированную несущую с уровнем около О дБ Вт.

Для демодуляторов с ФАПЧ необходимый уровень входного сигнала намного меньше и составляет минус 10 дБ Вт.

Чтобы обеспечить требуемый уровень перед входом демодулятора включается усилитель с большим коэффициентом усиления и широким динамическим диапазоном. Частотно-модулированная несущая после усиления выравнивается до необходимого уровня ограничителем. Принципиальная схема диодного ограничителя и его характеристики показаны на. рис. 8.10.

Между ограничителем и демодулятором включается полосовой фильтр 2 (см. рис. 8.2) с полосой 27 или 36 МГц для подавления сигналов комбинационных частот, появляющихся при работе ограничителя.

Недостатки частотных демодуляторов:

а неудовлетворительная линейная зависимость амплитуды от частоты, если требуется достаточно широкая частотная полоса; наилучшая линейность достигается у демодулятора с линией задержки;

- если нужно иметь хорошую демодуляционную чувствительность, то частотная полоса получается довольно узкой;

- демодуляционный порог нельзя получить меньше 11 дБ (для частотной полосы в 27 МГц) при относительно большом отношении несущая/шум на входе демодулятора;

- содержит резонансные контуры, поэтому очень чувствителен к внешним электромагнитным наводкам и подвержен старению;

- нетехнологичен — плохо совместим с интегральной технологией.

При приеме со спутников одним из самых главных, как отмечалось, параметров демодулятора является его порог. Демодулятор считается тем лучше и чувствительнее, чем ниже его демодуляционный порог. Как видно, у рассматриваемых демодуляторов порог относительно высокий. Улучшить пороговые свойства демодулятора по сравнению с обычным традиционным можно, применяя демодуляторы:

- со схемой следящего фильтра;

- с обратной связью по частоте;

- с фазовой автоподстройкой частоты — ФАПЧ.

Все перечисленные демодуляторы относятся к следящим демодуляторам, к демодуляторам использующим цепи обратной связи.

Обратная связь в следящих демодуляторах

Результат работы любой системы не может идеально совпадать с заранее поставленной целью и это лежит в основе регулировочного процесса — использования цепи обратной связи. Обратная связь — это изменение (корректировка) параметров выходного сигнала под воздействием части этого же выходного сигнала, подаваемого с выхода на вход после его соответствующей обработки.

Устройство следящего приема всегда охвачено обратной связью (рис. 8.11) — цепью слежения, от глубины и частотной полосы пропускания которой зависят основные параметры демодулятора. Поэтому параметры цепи обратной связи должны выбираться с учетом некоторых противоречивых требований. Во-первых, следует отметить, что телевизионная информация при приемопередаче в аналоговой системе крайне неблагоприятна для эффективной работы следящих частотных демодуляторов. Высокочастотные составляющие сигнала яркости очень малы по амплитуде и несут ничтожную часть энергии, полностью определяют крутизну фронтов видеосигнала и, тем самым, контрастность контуров (деталей) изображения. При сильном сужении полосы частот они окажутся ослабленными, а контуры изображения расплывчатыми и на телевизионном изображении появляются "тянучки" (цветные, черные или белые факелы).

Поэтому для хорошей передачи и отслеживания телевизионного сигнала во избежание искажений необходимо создавать весьма широкополосную обратную связь. Но при этом на вход демодулятора подаются не только составляющие компоненты полезного сигнала, но и шумы, что снижает эффективность работы демодуляторов с обратной связью. Поэтому очень важно правильно выбрать ширину частотной полосы обратной связи и ее глубину.

При достаточном коэффициенте обратной связи и достаточной ширине ее частотной полосы:

- медленные изменения амплитуды помехи и шума (скачки фазы) хорошо отслеживаются обратной связью, поэтому шумы и помехи попадают на выход частотного демодулятора. Хотя уровень шумов и помех, благодаря действию обратной связи", все же уменьшается, но это уменьшение такое, как и уменьшение полезного сигнала, и никакого снижения демодуляционного порога здесь не создается;

- быстрые изменения амплитуды помехи и шумов (скачки фазы, т.е. помехи и шумы с крутыми фронтами), подавляются фильтром ПЧ (ФПЧ) и не отслеживаются цепью обратной связи вследствие недостаточной ширины ее полосы частот, и поэтому не попадают на выход демодулятора.

При наличии сильной обратной связи и при очень широкой полосе частот помеха и шум, поступающие на вход следящего демодулятора, отслеживаются им (отслеживаются все скачки фазы в области + 2π) и попадают на выход и никаких преимуществ по сравнению с традиционным частотным демодулятором не получается.

При слабой обратной связи и при широкой частотной полосе не оказывается влияния на прохождение импульсов больших амплитуд (шумы и помехи проходят без ослабления на выход). Но если при этом сузить полосу ФПЧ перед демодулятором, то возникают недопустимые искажения изображения ("тянучки", факелы). Поэтому полосу пропускания ФПЧ приходиться выбирать такой же широкой, как и в типовом частотном демодуляторе. И никаких преимуществ по сравнению с ним и в этом случае также получить не удается.

Обратная связь (цепь слежения) в демодуляторах следящего приема создает дополнительное подавление амплитудной паразитной модуляции и способствует линеаризации выходной характеристики, что приближает характеристику такого демодулятора к характеристике идеального частотного детектора.

Демодулятор со следящим фильтром

Как известно, на выходе обычного частотного демодулятора включается ФНЧ. Его максимальная полоса пропускания соответствует ширине основной частотной полосы, что всегда меньше (при индексе модуляции m > 1) половины полосы пропускания частотного тракта перед демодулятором, которая составляет 27 или 36 МГц. Следовательно, перед дискриминатором после ограничителя можно установить фильтр с более узкой частотной полосой, чем стандартный широкополосный фильтр, устанавливаемый в обычных демодуляторах. Только необходимо, чтобы эта узкая частотная по- лоса перемещалась ("скользила" по частотной оси) в соответствии с мгновенными изменениями частоты несущей, т.е. в соответствии с процессом модуляции (рис. 8.12). В этом случае резонансная частота следящего фильтра, изменяясь, должна следовать за мгновенной частотой ЧМ несущей. Тогда при появлении частотно- модулированной несущей кривая 2 (рис. 8.13) сдвигается влево или вправо по частотной оси, точно отслеживая изменения частоты, занимая все возможные положения в пределах полосы тракта УПЧ.

Слежение за частотой несущей происходит при условии, что изменения резонансной частоты фильтра точно соответствует девиации (изменению) частоты несущей.

Здесь необходимо иметь в виду, что полосу пропускания следящего фильтра нельзя делать меньше основной частотной полосы, иначе высокочастотные составляющие сигнала яркости, лежащие на границе полосы пропускания, определяющие контрастность изображения, окажутся ослабленными. Применение узкополосных фильтров с управляемой резонансной частотой при правильно выбранной ширине частотной полосы не вызывает недопустимых искажений сигнала, а уменьшает мощность шумов, попадающих на вход дискриминатора. Подобный фильтр получил название следящего.

Демодуляторы с обратной связью по частоте

Структурная схема демодулятора с обратной связью по частоте показана на рис. 8.14. Рассматриваемый частотный демодулятор работает следующим образом.

Если частота немодулированной несущей совпадает с 'нулевой" частотой дискриминатора, то его выходной сигнал равен нулю и частота ГУН остается неизменной.

Если частота несущей изменяется, но так, что она остается в полосе пропускания усилителя ПЧ и его ФНЧ, то на выходе дискриминатора сигнал, до этого равный нулю, будет иметь какое-то значение. Он фильтруется, усиливается и подается на ГУН, изменяя его частоту таким образом, что разность между полученной и начальной частотами уменьшается до минимума. Некоторая разность между этими частотами все же будет оставаться, так как из нее получается управляющий сигнал, заставляющий ГУН следить за входной частотой.

Если на вход демодулятора поступает частотно-модулированная несущая, то согласно изложенному, ГУН точно отслеживает изменение ее частоты. Так как характеристика ГУН (зависимость "управляющее напряжение — частота") достаточна линейна, то управляющее ГУН-ом напряжение будет пропорционально модулирующему сигналу, который вызывает слежение за частотой.

Таким образом, новая ПЧ будет также частотно-модулированной и частота модуляции будет пропорциональна входному сигналу. Только диапазон изменения новой ПЧ будет меньшим, чем диапазон изменения частоты несущей, подаваемой на вход демодулятора, т.е. происходит сужение частотной полосы без изменения первоначального спектра сигнала. Благодаря сужению полосы, шумы уменьшаются, а информация, содержащаяся в принимаемом сиг- нале, сохраняется.

Частотные демодуляторы с ФАПЧ

Кроме демодуляторов типа ограничитель-дискриминатор, которые можно считать традиционными, в устройствах приема ЧМ сигналов, чаще всего встречаются порогопонижающие демодуляторы c реализацией фазовой петли (PLL — Phase Locked Loop, система фазовой и автоматической подстройки частоты — ФАПЧ). ФАПЧ— замкнутая система, в цепи обратной связи которой имеются фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Структурная схема такого демодулятора показана на рис. 8.15..

Фазовый детектор (фазовый компаратор) сравнивает фазы несущей и выходного напряжения ГУН и вырабатывает выходное напряжение, амплитуда которого зависит от разности сравниваемых фаз. Величина амплитуды определяется выражением:

Uфд=KФ(

где p — разность фаз несущей (входного сигнала) и напряжения ГУН; Кф — коэффициент передачи напряжения фазового детектора.

Выходное напряжение фазового детектора подается на ФНЧ, который ограничивает высокочастотные составляющие и их гармоники, содержащиеся в сигнале на выходе фазового детектора.

После прохождения ФНЧ напряжение усиливается и поступает на ГУН как управляющее.

Под воздействием управляющего напряжения ГУН изменяет фазу (следовательно и частоту) в нужную сторону и она устанавливается равной частоте входного сигнала: в схеме происходит так называемый "захват". Остается лишь некоторое напряжение фазовой ошибки, зависящее от начального несовпадения частот и свойств конкретной системы ФАПЧ. Если частота входного сигнала изменяется в соответствии с законом модуляции, то частота AH будет следовать этим изменениям, так как управляющее им напряжение соответствует закону модуляции. Это управляющее ГУН напряжение и есть выходное продетектированное напряжение, которое не зависит от амплитуды входного 4M сигнала, а определяется его частотой и подается на выход (на фильтры) демодулятора для дальнейшей обработки.