Демодуляция АМ сигнала

Д

Iвх

Zн

Uвых

 

 

 

 

Демодулятор служит для демодуляции АМ сигнала.

 

t

Uвх

t

 

Способы демодуляции:

1) Диодный детектор. Наибольшее применение нашли диодные детекторы. Они просты и позволяют получить почти неискаженное детектирование в большом диапазоне уровней сигнала. Принцип действия обоих одинаков. Достоинством параллель­ного детектора является отсутствие гальванической связи между источником сигнала и диодом.

 

Cн

Rн

Uн

Uвх

i

Схема последовательного детектора:

Cp

Rн

Uн

Uвх

i

Схема пар параллельного детектора:

 

 

Рассмотрим последовательный детектор, полагая диод в пер­вом приближении идеальным, т. е. с линейной характеристикой и без обратного тока. Под действием входного напряжения через диод протекают импульсы тока, которые содержат по­стоянную составляющую I_н и составляющие с угловыми часто­тами ω, 2ω и т. д. Постоянная составляющая создает напряжение на нагрузке U_н= -I_нR_н высокочастотные составляющие замыка­ются через конденсатор С_н, реактивное сопротивление которого для этих частот очень мало. При AM меняется амплитуда им­пульсов тока, а следовательно, их среднее значение и напряже­ние на R_н. Чтобы ток с частотой модуляции протекал через сопро­тивление R_н а токи с частотами ω, 2ω и т. д. через конденса­тор С_н, необходимо выполнить неравенства

 

где — верхняя частота модуляции.

В параллельном детекторе на резисторе R_н помимо выпрям­ленного напряжения будет и переменное напряжение U_вх .Чтобы оно не проходило в последующие цепи, включают фильтр нижних частот либо снимают продетектированное напряжение с конденсатора С_p.

Лекция 13.

Ток диода в данном случае можно представить в виде 3-х частей:

1) С частотой ω и огибающей, равной αU_m0(1+m cosΩt)

2) С частотой αω и огибающей β

3) Низкочастотная составляющая:

 

Выберем . Это даст падение всей ВЧ составляющей токов только на диоде.

 

Низкочастотный ток диода представляет из себя постоянную составляющую тока с частотой 2Ω. Это говорит о том, что сигнал будет демодулироваться с нелинейными искажениями. Отношение амплитуд этих НЧ составляющих даст нам минимальный коэффициент нелинейных искажений при демодуляции.

- минимальный коэффициент нелинейных искажений при демодуляции.

m - индекс модуляции, определяется значениями от 1 до 100 процентов.

диодный детектор в режиме малых сигналов работает плохо.

При 100% модуляции КНИ=25%

В режиме малого сигнала на входе детектора уровень сигнала 100-200 мВ.

U

t

0,7

 

 

Амплитудное напряжение =1, эффективное =0.7, пиковое =2

Режимом большого сигнала для амплитудного детектора является режим, когда диод в течении части периода входного сигнала переходит в открытое состояние.

Для кремниевых диодов уровень 0.7- режим открывания.

Для германиевых диодов напряжение открывания меньше, чем у кремниевого.

 

 

Цифровая демодуляция.

Схема:

АЦП

ABS

ФНЧ

 

ABS- функция взятия модуляции

ФНЧ - интегрирование с заданной постоянной времени

Она должна соответствовать:

 

Недостатки:

Ограничения использования АЦП, которая имеет узкую АЧХ, расширение которого связано с большими энергетическими затратами.

Синхронное детектирование.

ФНЧ

Г

Uвх=(1+cosΩt)cos(ωt)

ω

ω-Ω

ω+Ω=

ω

f

 

Синхронное детектирование представляет из себя преобразователь частоты, на вход которого подается сигнал с несущей частотой ω. Оно осуществляется путем умножения сигнала на опорное напряжение . Получаемое в результате выходное напряжение содержит составляющую с частотой 2ω, которая подавляется фильтром нижних частот. Оставшаяся после фильтра составляющая содержит полезный результат детектирования.

Технические решения для синхронного детектирования подоб­ны применяемым для преобразования частоты, причем роль гете­родинного напряжения выполняет опорное напряжение, а вместо фильтра промежуточной частоты на выходе включается фильтр нижних частот.

При детектировании возможны искажения сигнала, как нели­нейные, так и линейные.

Нелинейные искажения оценивают ко­эффициентом гармоник

 

где U_2Ω, U_3Ω —амплитуды выходного напряжения с угловыми частотами 2Ω, ЗΩ и т. д.

Линейные искажения — амплитудно- и фазочастотные— обус­ловлены наличием в детекторе инерционных элементов, главным образом емкостей. Амплитудно-частотные искажения определя­ются зависимостью коэффициента передачи детектора К от часто­ты модуляции входного сигнала. Фазочастотные искажения оце­ниваются по степени линейности зависимости фазового сдвига выходного напряжения по отношению к огибающей входного ра­диосигнала от частоты модуляции.

Демодуляторы частотно-модулированного сигнала.

Различают по принципу действия:

1) Частотно-амплитудные

2) Частотно-фазовые

3) Частотно-амплитудные

Демодуляция происходит на ПЧ.

 

 

ω

U

ΔU

Δω

ω0

 

S=dU_вх/df

У идеального частотного демодулятора уровень выходного напряжения не зависит от амплитуды сигнала, т е на выходе ЧМ приемника всегда есть сигнал вне зависимости от того, есть ли он на входе, или нет. Это обусловлено шумами на входе приемника.

1) Частотно-амплитудный демодулятор.

 

LC контур обладает свойством избирательности.

Достоинства детектора: простота.

Недостатки:

1) Плохая линейность демодуляции

2) Имеется зависимость выходного сигнала от входного

Продолжением данного устройства является ЧМ демодулятор на расстроенных контурах:

Uвх

Uвых

L1

L2

C1

Cn

C2

Cn

Rn

Rn

 

 

Достоинства такого демодулятора:

-улучшенная линейность характеристики.

ωр1

ωр2

ω0

ω

ω

K

 

Частотно-импульсный демодулятор.

&

&

&

&

ФНЧ

Uвых

Uвх

U1

U2

U3

τ

 

Каждый элемент вносит в сигнал инверсию и время задержки τ.

 

 

t

t

t

t

U

U1

U3

U4

T(ω)

3τ

 

 

Скважность выходного сигнала будет изменяться по закону частотной модуляции. Такой сигнал подается на ФНЧ (интегратор), на его выходе появляется напряжение, изменяющееся по закону модуляции.

НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ РУЧНЫХ И АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛИРОВОК

В зависимости от назначения и степени универсальности радиопри­емник имеет различные органы управления: для настройки на час­тоту нужного радиосигнала, для согласования уровня выходного сигнала и других параметров с требованиями потребителя прини­маемой информации. Управление может быть ручным или автома­тическим. Автоматическое управление выполняется по командам, введенным в программное управляющее устройство; функции чело­века при этом исключаются либо сводятся к включению управляю­щего устройства, например к нажатию клавиши и т. и.

Условия работы приемника могут изменяться. Могут различать­ся уровни радиосигналов от разных источников. Возможна неста­бильность уровня сигнала от данного передатчика из-за изменений условий распространения радиоволн. Частота радиосигналов также может изменяться вследствие нестабильности передатчика пли эф­фекта Доплера. Возможны изменения частоты сигнала в тракте промежуточной частоты из-за нестабильности частот гетеродинов в преобразователях частоты. Условия приема могут изменяться также при наличии нестационарных помех - аддитивных и мультиплика­тивных. В подобных случаях приходится регулировать цепи и узлы приемника для получения оптимального режима приема.

Управление и регулирование могут быть непосредственными ли­бо дистанционными. В случае дистанционного управления оператор или управляющее устройство находятся на расстоянии от приемни­ка и связаны с ним средствами телеуправления и телесигнализации.

Ручное управление и ручная регулировка допускают применение электромеханических устройств. Например, настройка приемника на нужную частоту до недавнего времени осуществлялась главным образом переключением катушек индуктивности с помощью кон­тактного переключателя поддиапазонов и плавным поворотом ро­тора переменного конденсатора. После замены переменных конденсаторов варакторами для плавной перестройки стали использо­вать контактные потенциометры, с помощью которых изменялось настроечное напряжение. Применение электромеханических орга­нов для дистанционного или автоматического управления требует соответствующих двигателей, что приводит к усложнению конст­рукции и снижению надежности. Поэтому введение дистанционно­го и автоматического управления связано, как правило, с перехо­дом к чисто электронным устройствам.

Автоматические регулировки необходимы также для обеспече­ния приема при быстро изменяющихся условиях, когда оператор не может действовать с достаточной быстротой и точностью, пользу­ясь ручными регуляторами. Кроме того, автоматизация позволяет упростить функции оператора либо вовсе исключить необходимость обслуживания приемной аппаратуры.

Функции регулировок усложняются в комплексных ситуациях, когда требуется обеспечить прием сложных сигналов при меняю­щихся условиях распространения и в сложной помеховой обста­новке. Адаптация приемника к таким ситуациям для наиболее точ­ного воспроизведения передаваемой информации представляет трудную задачу; оператор решает ее путем последовательных проб, которые требуют затраты времени и связаны с потерей части информации. Электронные автоматические регуляторы, основанные на применении быстродействующих микропроцессоров, решают эту задачу.

Основная тенденция развития всех видов техники, в том числе радиосвязи и радиовещания - создание телеуправляемых и пол­ностью автоматизированных систем. В этом случае все регулиров­ки, необходимые для поддержания соответствия оборудования тех­ническим требованиям, должны выполняться автоматически.

К наиболее распространенным автоматическим регулировкам приемников относят автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическую подстройку частоты (АПЧ).

Автоматическая регулировка усиления обеспечивает поддержа­ние на выходе усилителя промежуточной частоты уровня сигнала, достаточно высокого и стабильного для воспроизведения сообще­ний от радиостанций различной мощности, находящихся на разных расстояниях и в меняющихся условиях распространения ра­диоволн. Благодаря простоте АРУ применяется почти во всех ра­диоприемниках.

Автоматическая подстройка частоты должна непрерывно обес­печивать оптимальное расположение спектра принимаемого сиг­нала в полосе пропускания приемника при вызываемых различны­ми причинами изменениях частоты передатчика и настройки цепей приемника. АПЧ применяется почти во всех видах профессиональ­ной радиоприемной аппаратуры и во многих радиовещательных приемниках.

При сильных помехах прием сообщений может ухудшиться или стать невозможным. Может потребоваться регулировка цепей при­емника не только по критериям соответствия частоты и усиления частоте и уровню принимаемого сигнала, но по более сложным критериям максимальной достоверности принимаемой информа­ции. Для этой цели, в частности, может применяться автоматиче­ская регулировка селективности, осуществляемая изменением ши­рины полосы пропускания и формы амплитудно-частотной харак­теристики. При сильных сигналах или низком уровне помех поло­са пропускания расширяется, обеспечивая лучшее качество воспро­изведения сообщений. При слабых сигналах или при повышении уровня помех может оказаться, что сужение полосы пропускания, хотя и вызовет ухудшение качества приема полезных сигналов по сравнению с предыдущим случаем, приведет к еще более сущест­венному ослаблению вредного действия помех. Назначение авто­матической регулировки - установление оптимальной полосы про­пускания, при которой приемник воспроизводит принимаемую ин­формацию с наименьшими потерями. Подобные регулировки, рав­но как н некоторые другие, вследствие меньшей определенности условий получения эффективных результатов применяются реже, чем АРУ и АПЧ.

 

ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ

Когда напряжение на входе усилителя минимально (U_{вх мин}), коэффициент усиления должен быть наибольшим (К_макс) для то­го, чтобы на выходе обеспечивать напряжение U_{вых мин}, достаточ­ное для нормального воспроизведения сообщений; U_{вх мин} соответ­ствует чувствительности приемника. При увеличении входного на­пряжения коэффициент усиления К должен уменьшаться. АРУ обеспечит постоянство выходного напряжения Uвых, если эти три величины будут связаны соотношением K=U_вых/U_вх. Такую зави­симость отображает кривая 1 на рисунке:

 

 

Обычно не требуется строгого постоянства выходного напряже­ния и для упрощения конструк­ции регулятора допускают измене­ние его в таких пределах, чтобы не возникали заметные перегруз­ки цепей приемника и искажения сигналов. При увеличении напряжения на входе до U_{вх макс} напряжение на выходе возрастает до

некоторого значения U_{вых макс}; минимальный коэффициент усиле­ния при этом K_мин =U_{вых макс} /U_{вх макс} . Соответствующая характерис­тика 2 на рисунке проходит немного выше кривой 1.

Сигналы, напряжение которых на входе усилителя менее U_{вх мин} не могут быть нормально приняты, так как будут искаже­ны шумами приемника. Тем не менее форма характеристики ре­гулировку усиления выше точки А, соответствующей U_{BX min} и U_{вых мин} не безразлична для проектанта.

В простейшем случае процессы в цепи автоматической регули­ровки при уменьшении U_вх ниже точки А представляются равно­мерным продолжением кривой 1; эта часть гиперболы изображена штриховой линией. Регулировка такого типа, т. е. без нарушения непрерывности закона регулирования при снижении входного сиг­нала ниже уровня чувствительности (иногда ее называют «прос­той» АРУ), не применяется по следующим причинам:

при U_вх<U_{вх мин} напряжение на выходе усилителя будет оста­ваться неизменным, но оно будет представлять собой смесь сигна­ла и шума, причем чем меньше будет U_вх, тем больше будет доля шума в этой смеси;

для увеличения коэффициента усиления выше значения К_макс по кривой 3 потребовалось бы ввести в приемник дополнительные усилительные каскады; но это увеличение усиления будет беспо­лезным и даже принесет вред, так как при выключении источника сигнала на выходе приемника появятся шумы.

Выход из положения состоит в отключении АРУ при входном напряжении меньше U_{вх мин}. Коэффициент усиления левее точки А в этом случае остается постоянным и равным К_макс (линия 4). Включение АРУ «задерживается» до достижения входным напря­жением значения U_{вх мин}; далее регулировкой усиления обеспечи­вается требуемая стабильность выходного напряжения. Соответст­венно описанная регулировка называется АРУ с задержкой, или задержанной АРУ. При одинаковом в обоих случаях качестве ре­гулирования выше Uвх min приемник с задержанной АРУ проще по конструкции, чем приемник с простой АРУ.

В процессе перестройки приемника с АРУ с одной станции на другую, когда сигнал на входе приемника отсутствует, коэффици­ент усиления максимален и поэтому максимально усиливаются собственные шумы и внешние помехи. При радиовещательном приеме иногда изменяют цепь АРУ так, чтобы шумы при пере­стройке не проходили на выход приемника. С этой целью коэффи­циент усиления левее точки А понижается (кривая 5 на рисунке). Регулировка подобного вида называется бесшумной АРУ.

Для изменения коэффициента усиления приемника в электрон­ных устройствах АРУ должно быть получено регулирующее напря­жение, которое воздействует на регулируемые каскады, изменяя усиление подобно показанному на рисунке. Поскольку действие АРУ зависит от напряжения сигнала, наиболее простой способ формирования регулирующего напряжения состоит в использова­нии выпрямленного напряжения принимаемого сигнала. Если имеющегося напряжения недостаточно, то в цепь регулирований вво­дится дополнительный усилитель. Для получения регулирующего напряжения может служить амплитудный детектор. Если бы напряжение от детектора с такими свойствами было подано в цепь регулировки усиления, то при возрастании амплитуды сиг­нала в такт с модуляцией уменьшался бы коэффициент усиления, а при убывании амплитуды возрастал; в результате напряжение сигнала на выходе усилителя имело бы практически постоянную амплитуду, т. е. цепь АРУ подавляла бы модуляцию принимае­мого сигнала, что недопустимо, так как именно в ней заключена принимаемая информация.

Чтобы не было подавления модуляции, регулирующее напряже­ние не должно содержать переменной составляющей, соответст­вующей модуляции! Это можно обеспечить двумя путями:

1. Постоянная времени цепи C_нR_н на выходе детектора увеличивается так, чтобы напряжение на конденсаторе С_н оставалось примерно равным максимальным амплитудам де­тектируемого напряжения. Выходное напряжение отслеживает максимумы (пи­ки) амплитуды сигнала, не воспроизводя огибающей амплитуд. Такой детектор называется пиковым.

2. Постоянная времени R_нC_н соответствует требованиям детек­тирования без искажений и по­лученное напряжение может быть использовано для воспроизведе­ния принимаемых сообщений; для этого его переменная составля­ющая выделяется с помощью разделительного конденсатора. В то же время «постоянная» составляющая (среднее значение) используется для АРУ, в цепи которой имеется фильтр нижних частот. В фильтре подавляется переменная составляющая напряжения и регулирующее напряжение оказывается пропорцио­нальным средней амплитуде сигнала.

В случае задержанной регулировки детектор срабатывает только при превышении напряжением сигнала некоторого порого­вого значения. Ниже порога регулирующее напряжение не должно изменять коэффициент усиления, что достигается проще всего, если оно попросту отсутствует. Требуемым свойством обладает, например, диодный детектор, «подзапертый» постоянным напряже­нием, как показано на рисунке а. Из рисунка б видно, что детектор не будет действовать, пока U<E₃, т. е. регулирующее напряжение для цепи АРУ U_рег будет отсутствовать.

В соответствии с изложенным, цепи АРУ могут включать сле­дующие элементы приемника:

усилители радио- и промежуточной частоты, приспособленные для регулировки усиления изменением регулирующего напряже­ния;

 

детекторы для получения регулирующих напряжений путем вы­прямления сигнала;

дополнительные усилители для увеличения регулирующего на­пряжения при необходимости повысить эффективность АРУ;

цепи, обеспечивающие пороговое напряжение для получения ре­гулировки с задержкой;

фильтры нижних частот для подавления продуктов модуляции сигнала в цепях регулирующих напряжений.

Три характерных примера схем АРУ в упрощенном виде без цепей задержки даны на рис. 6.3.

В варианте на рисунке а регулирующее напряжение формирует­ся в результате выпрямления напряжения усиленного сигнала с выхода усилителя. Напряжение от детектора Д подается через до­полнительный усилитель У к фильтр нижних частот Ф в направле­нии, обратном направлению прохождения сигнала в регулируемом усилителе. Со стороны выхода оно действует на предшествующие усилительные каскады, поэтому такая регулировка называется об­ратной АРУ. Усилитель У может быть включен и до детектора Д

 

Если напряжение на выходе регулируемого усилителя достаточно велико, то этот усилитель не применяют.

В цепи обратной АРУ усиление регулируется благодаря изме­нению регулирующего напряжения U_рег, которое, в свою очередь, изменяется в результате изменения напряжения сигнала на выходе регулируемого усилителя. Следовательно, в цепи обратной АРУ не­избежно и необходимо некоторое изменение выходного напряже­ния. При правильном выборе параметров цепи это изменение не выходит за допустимые пределы.

В схеме на рисунке б регулирующее напряжение вырабатыва­ется в результате усиления и выпрямления входного напряжения и действует в том же «прямом» направлении, в котором проходит принимаемый сигнал в регулируемом усилителе. Соответственно такая цепь называется прямой АРУ. В отличие от обратной АРУ здесь регулирующее напряжение не зависит от напряжения на выходе усилителя, т. е. имеется теоретическая возможность пол­ного постоянства выходного напряжения. На практике реализо­вать эту возможность не удается. Как было выяснено, условие по­стоянства выходного напряжения состоит в строго определенном законе изменения коэффициента усиления при изменении напряже­ния на входе.

В реальных условиях коэффициент усиления регулируют це­пями, свойства которых зависят от регулирующего напряжения. Эту зависимость обеспечивают нелинейные элементы, но их харак­теристики определяются спецификой происходящих в них слож­ных физических процессов и управлять формой этих характерис­тик можно лишь в очень слабой степени. Если зависимость K(U_вх) получается падающей подобно теоретической кривой на рисунке и при соответствующем подборе параметров совпадает с ней в отдельных точках, на большинстве участков расхождение между ними неизбежно оказывается значительным. Следователь­но, и выходное напряжение не будет постоянным. Сколь бы не бы­ли велики отклонения выходного напряжения от требуемого значе­ния, устройство не будет на них реагировать и они останутся нескомпенсированными.

Трудности реализации прямой АРУ возрастают, если напряже­ние на входе регулируемого усилителя может изменяться в сот­ни и тысячи раз. Чтобы регулирующее напряжение могло воздей­ствовать на регулируемый усилитель, начиная со сравнительно слабых сигналов на входе, коэффициент усиления усилителя АРУ должен быть значительным: того же порядка, что и у регулируемого усилителя. Но при сильном увеличении входно­го напряжения в усилителе У неизбежно возникнет перегрузка, сильно проявится его нелинейность.

Чтобы ослабить подобные явления, усилитель АРУ сам должен иметь цепь автоматической регулировки для предотвращения пе­регрузок. Следовательно, прямая АРУ много сложнее по конст­рукции, чем обратная, и к тому же не позволяет получить удов­летворительного качества регулировки. Поэтому в описанном виде прямая регулировка не применяется. Однако она может быть полезна как часть комбинированной системы, в кото­рой основная регулировка - обратная. Регулируемый усилитель делится на две секции, причем усиление сосредоточено в основном в каскадах первой секции, усиление же второй секции невелико. В эту секцию может быть выделен, например, последний усили­тельный каскад.

Регулирующее напряжение U_{рег 1} формируется путем выпрям­ления напряжения с выхода первой секции и осуществляет обрат­ную регулировку усиления. Требования к качеству регулировки здесь не очень высоки, т. е. допускается сравнительно сильное (на­пример, в несколько раз) изменение напряжения U на выходе первой секции. Это упрощает реализацию регулировки. В то же время напряжение U используется для создания второго регули­рующего Напряжения U_рег2 и служит для прямой регулировки уси­ления второй секции. Поскольку на нее возлагается задача изме­нять усиление лишь в несколько раз, расхождение теоретического и реального законов регулирования не приведет к сильному не­постоянству напряжения сигнала на выходе второй секции. Кроме того, в цепи АРУ используется сигнал, уже усиленный в первой секции, т. е. не требуется дополнительного усилителя с большим коэффициентом усиления, который необходим в предыдущем слу­чае.