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 |
Cp |
Rн |
Uн |
Uвх |
i |
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 Iн и составляющие с угловыми частотами ω, 2ω и т. д. Постоянная составляющая создает напряжение на нагрузке Uн= -IнRн высокочастотные составляющие замыкаются через конденсатор Сн, реактивное сопротивление которого для этих частот очень мало. При AM меняется амплитуда импульсов тока, а следовательно, их среднее значение и напряжение на Rн. Чтобы ток с частотой модуляции протекал через сопротивление Rн а токи с частотами ω, 2ω и т. д. через конденсатор Сн, необходимо выполнить неравенства
где — верхняя частота модуляции.
В параллельном детекторе на резисторе Rн помимо выпрямленного напряжения будет и переменное напряжение Uвх .Чтобы оно не проходило в последующие цепи, включают фильтр нижних частот либо снимают продетектированное напряжение с конденсатора Сp.
Лекция 13.
Ток диода в данном случае можно представить в виде 3-х частей:
1) С частотой ω и огибающей, равной αUm0(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 U2Ω, U3Ω —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=dUвх/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 (Uвх мин), коэффициент усиления должен быть наибольшим (Кмакс) для того, чтобы на выходе обеспечивать напряжение Uвых мин, достаточное для нормального воспроизведения сообщений; Uвх 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=Uвых/Uвх. 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 Uвх макс напряжение на выходе возрастает до
некоторого значения Uвых макс; минимальный коэффициент усиления при этом Kмин =Uвых макс /Uвх макс . Соответствующая характеристика 2 на рисунке проходит немного выше кривой 1.
Сигналы, напряжение которых на входе усилителя менее Uвх мин не могут быть нормально приняты, так как будут искажены шумами приемника. Тем не менее форма характеристики регулировку усиления выше точки А, соответствующей UBX min и Uвых мин не безразлична для проектанта.
В простейшем случае процессы в цепи автоматической регулировки при уменьшении Uвх 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 Uвх<Uвх мин напряжение на выходе усилителя будет оставаться неизменным, но оно будет представлять собой смесь сигнала и шума, причем чем меньше будет Uвх, тем больше будет доля шума в этой смеси;
для увеличения коэффициента усиления выше значения Кмакс 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 Uвх мин. Коэффициент усиления левее точки А в этом случае остается постоянным и равным Кмакс (линия 4). Включение АРУ «задерживается» до достижения входным напряжением значения Uвх 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 CнRн на выходе детектора увеличивается так, чтобы напряжение на конденсаторе Сн 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 RнCн 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 Uрег 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 Uрег, 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(Uвх) 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 Uрег 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 Uрег2 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.