рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Амплитудное детектирование

Амплитудное детектирование - раздел Изобретательство, Теоретические основы радиотехники     8.4.1. Общие Сведения О Детектировании...

 

 

8.4.1. Общие сведения о детектировании

 

 

Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочас- тотного модулированного колебания в напряжение (или ток), которое изменя- ется по закону модуляции. Этот процесс реализуют устройства, называемые детекторами.

Детектор формирует на выходе сигнал, закон изменения которого повторя-

ет закон изменения передаваемого модулированным колебанием сообщения. В зависимости от вида модуляции, которая используется передающим устройст- вом (амплитудная, частотная или фазовая), в приемном устройстве выполняется амплитудное, частотное или фазовое детектирование. Детектор реализует про- цесс, обратный процессу модуляции. Поэтому его называют иногда демодуля- тором.

Функциональное предназначение детектора свидетельствует, что он осу-

ществляет спектральное преобразование входного сигнала. Сущность этого преобразования заключается в том, что входной модулированный сигнал с уз- кополосным спектром в области высоких частот преобразуется в выходной мо- дулирующий сигнал со спектром в области низких частот. Поэтому процесс де- тектирования при любом виде модуляции можно реализовать только с помо- щью нелинейных или параметрических цепей.


Структура детектора в случае использования нелинейного элемента пред-

ставлена на рис. 8.11.

 


sвх(t) = U (t) cos(ω0t + ϕ ) , sвх(t) = U н cos[ω0t + ϕ (t)] , sвх(t) = U н cos[ω0t + ϕ (t)] ,


sвых(t) = kамU (t) sвых (t) = kфмϕ (t) sвых(t) = kчмω (t)


при амплитудной модуляции;

при фазовой модуляции;

 

при частотной модуляции,


k ам ,


kфм,


kчм


– коэффициенты пропорциональности.

 

 

Рис. 8.11. Структурная схема детектора


 

Нелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сиг- нала. Фильтр низкой частоты выделяет необходимые составляющие спектра модулирующего сигнала.

 

 

8.4.2. Амплитудный детектор

 

 

Амплитудный детектор формирует сигнал, совпадающий по форме с оги- бающей входного амплитудно-модулированного колебания. Процесс детекти- рования будем рассматривать для АМ-сигнала с тональной модуляцией, т.е. для входного сигнала вида

uвх (t) = (1+ mcosΩt)cosω0t.

Выходной сигнал детектора должен быть равен

uвых (t) = kaмUн(1+ mcosΩt).

Практическая схема амплитудного детектора приведена на рис. 8.12,а.

 

а б

 

Рис. 8.12. Функциональная схема амплитудного (а) детектора и ВАХ диода (б)

В качестве нелинейного элемента используется диод, характеристика кото- рого (рис. 8.12,б) имеет нелинейный (ОА) и линейный (АВ) участки. Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные емкость и сопротивление


нагрузки детектора. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики фильтра рассмотрены в п. 5.4.

Физические явления в схеме амплитудного детектора поясним, пользуясь


схемой детектора (рис. 8.12,а), графиками входного

напряжений (рис. 8.13, а, б).


uвх(t)


и выходного


uвых(t)


 

 

Рис. 8.13. Входное и выходное напряжения детектора

 

 


Входное напряжение


uвх(t)


приложено к аноду диода. Напряжение на


конденсаторе, которое по существу является выходным напряжением, прило- жено к катоду диода. Через диод протекает ток в том случае, если напряжение на аноде больше, чем напряжение на катоде.

В интервале времени, когда текущее значение напряжения на входе боль-


ше, чем напряжение на конденсаторе (от точки


A1 до точки


B1, см. рис.8.13,а),


диод открыт, через него протекает ток


и конденсатор заряжается этим током


(с небольшим отставанием от роста входного напряжения).


В интервале времени, когда текущее значение


uвх(t)


становится меньше


напряжения на конденсаторе (точка


B1, см. рис.8.13,а), потенциал анода диода


становится меньше потенциала катода, что приводит к закрытию диода. Кон- денсатор начинает медленно разряжаться через большое сопротивление фильт- ра. Процесс разряда продолжается в течение всего времени закрытия диода (до


точки


A2), при этом напряжение на конденсаторе, а значит, и на выходе детек-


тора уменьшается. Начиная с точки


A2, процесс повторяется.


Внутреннее сопротивление открытого диода значительно меньше сопро- тивления фильтра. Поэтому заряд конденсатора происходит быстрее, чем раз- ряд, и конденсатор заряжается в каждом полупериоде входного напряжения почти до его амплитудного значения. Следовательно, напряжение на конденса- торе, а значит, и выходное напряжение повторяет по форме огибающую вход- ного сигнала с определенным уровнем пульсаций.

Величина пульсаций определяется качеством фильтрации и зависит от по-

стоянной времени фильтра τц = RC , т.е. от времени заряда и разряда конденса-

тора. Для того чтобы детектирование осуществлялось с минимальными иска-

жениями, требуется соблюдение определенного условия, связывающего посто-


янную времени фильтра с периодом T0


несущего колебания и периодом


мо-


дулирующего сигнала. Это условие имеет вид


T0 <<τц


<< . При несоблюде-


нии хотя бы одного из этих неравенств напряжение на конденсаторе не совпа-

дает по форме с огибающей входного сигнала (рис. 8.13,б)

В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики не- линейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (ре- жим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов). В первом режи- ме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характе- ристики, аппроксимируемой полиномом второй степени. Во втором режиме ра- бота детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию.

 

 

а. Квадратичное детектирование

 

 

При малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора про- исходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейно- го элемента (рис. 8.14,а), которая с достаточной для практики точностью ап-

проксимируется полиномом второй степени i = a0 + a1u + a2u2 .

 

 

Рис. 8.14. Квадратичное (а) и линейное (б) детектирование

 

 

Если на вход детектора в этом режиме поступает амплитудно-


модулированный сигнал вида

равен


u(t ) = U(t)cosω0t , то ток нелинейного элемента


i(t) = a0 + a1U(t)cosω0t + a2U2 (t)cos2 ω0t =


 

a a U t


t a2U


2 (t)


a2U


2 (t)

t


= 0 + 1


( ) cosω0 +


2 + 2 cos 2ω0 .


Высокочастотные составляющие с частотами ω0


и 2ω0


не проходят через


низкочастотный фильтр на выходе детектора. Полезная информация содержит-


 

ся в низкочастотной составляющей, равной


 

iнч


(t) = a0


+ a2U


(t) . Пропорцио-


нальность данной составляющей квадрату огибающей амплитудно-

модулированного сигнала определила название детектора в этом режиме –

квадратичный детектор.


Для АМ-сигнала с тональной модуляцией


u(t) = (1+ m cos Ωt)cosω0t


низкочастотная составляющая спектра тока будет равна


iнч(t) = a0


a U
+ 2 н (1+ mcosΩt)2


= a0


a U
+ 2 н


2 a U
+ a2UнmcosΩt + 2 н m2 cos2 Ωt =


2

= a + 2 н


m 2

+


a U 2m2

2 2 н
+ a U m cos Ωt +


cos 2Ωt .


a U
0 ⎢1 ⎥ 2 н

⎣ 2 ⎦ 4

В полученном выражении спектральные составляющие расположены в по-

рядке возрастания их частот. Среди них имеется составляющая


(t) = a2Uнmcos Ωt

тотным фильтром.


с частотой Ω , которая должна быть выделена низкочас-


Для выделения этой составляющей низкочастотный фильтр должен быть узкополосным. Если же модуляция не тональная и частота модулирующего


сигнала изменяется в пределах от


Ωmin


до Ωmax , то фильтр должен иметь по-


лосу пропускания

фильтром.


∆Ω = Ω max −Ωmin , т.е. быть полосовым низкочастотным


Постоянная составляющая тока отфильтровывается с помощью раздели-

тельного конденсатора, включаемого последовательно в цепь после детектора.


Составляющая с частотой 2Ω


обусловливает нелинейные искажения полезного


сигнала, которые тем больше, чем больше коэффициент модуляции и меньше постоянная времени фильтра.

k
Степень нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений, который определяется выражением


I
2

ξ = 2


+ I2


+...+ I2

,


 

 

где


 

 

I1, I 2,...,Ik


I1

– амплитуды гармонических составляющих тока нелинейного


элемента.

 

В рассматриваемом случае


ξ = I2


 

 

2 н
a U 2m2

=


= m .


н
I1 4a2U2m 4

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений квадратичного де- тектора при детектировании АМ-сигнала с тональной модуляцией зависит от коэффициента модуляции m . Для малых m коэффициент нелинейных искаже-


ний невелик, для


m =1 он может достичь величины 0,25, что представляет со-


бой значительную величину. Уменьшение глубины модуляции с целью сниже-

ния искажений не выгодно с энергетической точки зрения.

При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектр тока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низко- частотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтром низкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал детектора при работе в режиме слабых сигналов пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала. Именно поэтому, а также из-за значительных нелинейных искажений избегают такого режима де- тектирования в приемных трактах, применяя усиление до детектора.

В случае необходимости детектирования слабых сигналов применяют де-

текторы, построенные на основе операционных усилителей (ОУ).

Такие детекторы (рис. 8.15,а) выполняют операции детектирования и уси- ления. Операционный усилитель инвертирует и усиливает входное напряжение. Поэтому во время положительных полупериодов диод VD1 открыт, а диод VD2


закрыт. Благодаря этому напряжение


u2 (t) ≈ u1 (t) , а выходное напряжение уси-


лителя отсутствует, т.е.


uвых(t ) ≈ 0 . Во время отрицательных полупериодов ди-


од VD1


закрыт, а диод VD2


открыт. При этом выходное напряжение усилителя


равно


u2 (t) ≈ −( R2


R1 )uвх(t) . Оно представляет собой инвертированные и уси-


ленные отрицательные полупериоды входного напряжения (рис. 8.15,б).

 

Рис. 8.15. Амплитудный детектор на ОУ

 

 

Если на вход детектора поступает напряжение АМ-сигнала, то в спектре


u2 (t)


имеются низкочастотные составляющие, которые обеспечивают форми-


рование на выходе низкочастотного фильтра сигнал дающий с модулирующим сигналом.

 

б. Линейное детектирование


uвых(t ) , по форме совпа-


Нелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могут быть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейной части характеристики диода. При этом принципиальная схема линейного детек- тора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитуда входного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочий участок располагался на линейном участке характеристики нелинейного эле- мента (см. рис. 8.14,б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной ап- проксимацией характеристики диода.

Как видно из рисунка, ток диода представляет собой периодическую по- следовательность импульсов, модулированных по амплитуде. Напряжение на выходе детектора создается только постоянной составляющей тока, которая в данном случае не будет постоянной в полном смысле этого слова. Она будет изменяться по закону модуляции входного сигнала. Таким образом, выходной сигнала детектора будет равен

uвых(t) = I0(t)R =α0 (θ)Im(t)R .


Im(t ) = S[U(t ) − uвых (t )] = SU(t )[1− uвых (t )


U(t )].


Учитывая, что входной АМ-сигнал равен


uвх (t) = U(t)cosω0t и


uвых (t ) = U(t )cosθ


при условии, что угол отсечки θ является постоянной вели-


чиной (это будет показано ниже), получаем

Im(t ) = S[U(t ) − uвых (t )] = SU(t )(1− cosθ), (8.2)


или


uвых(t) = α0 (θ)RSU (t)(1− cosθ).


Таким образом, выходное напряжение детектора в этом режиме линейно

зависит от амплитуды входного сигнала, если угол отсечки θ – постоянная ве-

личина. Отсюда и его название – линейный детектор.

Покажем, что величина угла отсечки определяется только параметрами де-

тектора и не зависит от амплитуды входного сигнала.

Известно, что


I
α0 (θ) = 0

Im


= sin θ −θ cosθ ,

π(1− cosθ)


I0 (t) = Im


(t ) sinθ −θ cosθ .

π(1− cosθ)


Учитывая (8.2), получаем


I0 (t) =


1 SU(t)(sin θ −θ cosθ). (8.3)

π


В свою очередь, uвых(t) = I 0 (t)R = U (t) cosθ . Отсюда

I (t) = U(t) cosθ . (8.4)

0 R


Приравняв (8.3) и (8.4) и разделив правую и левую часть на


cosθ , получаем


=
tgθ −θ = π

RS


πRi

R


 

. (8.5)


Крутизна ВАХ диода – это по существу величина, обратная внутреннему


сопротивлению


Ri открытого диода. Таким образом, данное уравнение позво-


ляет определить графическую зависимость отношения Ri

(рис. 8.16).


R от угла отсечки θ


 


Рис. 8.16. Влияние угла отсечки на выбор сопротивлений


Ri и R


 

Из графиков и полученного выражения следует, что угол отсечки θ не за-

висит от амплитуды входного сигнала. Его величина определяется только вели-

чиной произведения RS . Чем меньше угол отсечки, тем больше отношение

Ri R . Данный результат используется для определения параметров RC фильт-

ра и диода.

 

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Теоретические основы радиотехники

Учреждение образования.. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.. Кафедра радиотехнических устройств..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Амплитудное детектирование

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Радиотехника и информатика
    Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуаль

Диоинформатика
Информационный аспект работы любой системы предполагает использо- вание определенного материального носителя информации. Физический про- цесс, являющийся функцией некоторых параметров и используемы

Передающее устройство
Передающее устройство осуществляет преобразование передаваемого со- общения и приведение его к виду, пригодному для передачи в свободное про- странство с помощью антенн. С этой целью в состав устро

Приемное устройство
Высокочастотные радиосигналы, улавливаемые приемной антенной, по- ступают в приемное устройство. Приемное устройство осуществляет соответст- вующие преобразования принятого высокочастотного сигнала

Проблемы обнаружения и оптимальной обработки сигналов
Одной из основных задач радиолокационного приема является задача об- наружения. Суть этой задачи – определить, содержит ли принимаемое колеба- ние отраженный сигнал. Задача статистическая, то есть

Проблемы оптимизации и адаптации
Проблемы оптимизации и адаптации решаются при проектировании и экс- плуатации РТС. При оптимизации синтезируют наилучшую в определенном смысле функциональную и алгоритмическую структуру РТС, опирая

Математические модели сигналов
Для того чтобы сигналы являлись объектами теоретического изучения и анализа, необходимо иметь их математические модели. Математическая модель сигнала – это формализованное его представление в

Дельта-функция
Дельта-функция (δ -функция, функция Дирака) – это математическая мо- дель реально не существующего сигнала, который имеет бесконечную по вели- чине амплитуду и нулевую д

Функция единичного скачка
τ → 0τ Функция единичного скачка (функция Хевисайда) описывает процесс рез- кого (мгновенного) перехода ф

Характеристики сигналов
    Для сигнала, существующего в интервале ∆t = t2 −t1 , наиболее важными являются следующие характерис

Геометрические методы в теории сигналов
    В теории множеств имеется понятие действительного векторного про- странства, под которым понимается непустое множество V , для элементов ко- торого опр

Определение спектров некоторых сигналов
    3.4.1. Спектр колоколообразного (гауссова) импульса       Сигнал, описываемый функцией вида

Корреляционный анализ сигналов
    3.5.1. Общие положения     При решении многих задач оптимальной обработки сигналов возникает потребность определять степе

Свойства взаимокорреляционной функции
1. Значения R12 (τ) и R 21(τ) не изменятся, если вместо задержки сигнала s2 (t ) или

Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов
(теореме Котельникова)     3.6.1. Теорема Котельникова     В настоящее время широко применяются циф

Рез равные промежутки времени
∆t ≤1 2 f m . Справедливость теоремы подтверждается тем, что сигнал s(t), спектр ко- торог

Определение коэффициентов ряда
    Значение коэффициентов Ck   определим, пользуясь формулой Ck = ∞  

Радиосигналы с амплитудной модуляцией
    4.2.1. Амплитудно-модулированные сигналы     Амплитудная модуляция (АМ; английский термин – amplitude modulation) являетс

Радиосигналы с угловой модуляцией
    4.3.1. Общие сведения об угловой модуляции     При угловой модуляции (английский термин – angle modulation) происхо- дит изменен

Импульсная модуляция
    4.4.1. Виды импульсной модуляции     В рассмотренных выше видах модуляции (АМ, ФМ, ЧМ) носителем пере- даваемой информаци

Узкополосные сигналы
    4.5.1. Общие сведения об узкополосных сигналах     В различных системах передачи информации широко применяются радио- сиг

Основные характеристики линейных цепей
    5.2.1. Характеристики в частотной области     Спектральное представление сигналов делает весьма удобным их анализ в часто

Дифференцирующая и интегрирующая цепи
    На рис. 5.1,а представлена схема линейного четырехполюсника в виде по- следовательной RC -цепи с постоянной времени τ = RC

Фильтр нижних частот
    В качестве фильтра нижних частот во многих радиотехнических устройст- вах (выпрямителях, детекторах и др.) применяется схема, изображенная на рис. 5.3,а. Ча

Параллельный колебательный контур
    Параллельный колебательный контур – это частотно-избирательная цепь, образованная параллельным соединением индуктивности L и емкости C . Ак-

Усилители
    Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энерг

Область нижних частот
В области нижних частот сопротивление емкости xc =1 ωC     имеет боль- шое значение по сравнению со значения

Область верхних частот
В области верхних частот сопротивления емкостей уменьшаются по срав- нению с их значениями в области нижних и средних частот. Поэтому шунти- рующим действием емкостей

Положительная обратная связь
Обеспечивается при условии ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ , где k – целое число, т.е. при поступлении на вход основной цепи сигнала

Отрицательная обратная связь
Обеспечивается при условии ϕ(ω)+ϕβ (ω) = (2k +1)π , т.е. при поступле- нии на вход основной цепи сигнала обратной связи в проти

Реактивная и комплексная обратная связь
Реактивная обратная связь устанавливается при условии ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ +π

Постановка задачи
    Анализ любой радиотехнической цепи сводится к установлению зависимо- сти между входным сигналом и сигналом, формируемым на выходе. В общем случае радиотехническая це

Точные методы анализа линейных цепей
    6.2.1. Классический метод     Классический метод основан на составлении и решении линейного диффе- ренциального уравнения

Прохождение периодического сигнала через линейную цепь
Спектр периодического сигнала определяется путем разложения сигнала в ряд Фурье, комплексная форма которого имеет вид ∞     1 T 2

Прохождение непериодического сигнала через линейную цепь
Спектр непериодического сигнала (спектральная плотность) определяется путем вычисления прямого преобразования Фурье ∞ S( jω) = ∫

Приближенные методы анализа линейных цепей
    6.3.1. Приближенный спектральный метод     Приближенный спектральный метод применяется в случае, если эффек-

Суть метода
Рассматриваем прохождение сигнала с частотной модуляцией через узко- полосную цепь. Выходной сигнал определяется для фиксированного значения частоты ω(t

Прохождение амплитудно-модулированного сигнала через избирательную цепь
    Определим сигнал, формируемый резонансным усилителем, при поступле- нии на его вход АМ–сигнала с тональной модуляцией. Частотная характеристика рез

Свойства и характеристики нелинейных цепей
    При проектировании большинства радиотехнических устройств возникает необходимость преобразования спектра полезного сигнала. К их числу относят- ся устройства, которы

Способы аппроксимации характеристик нелинейных элементов
Характеристики реальных нелинейных элементов, которые определяют обычно с помощью экспериментальных исследований, имеют сложный вид и представляются в виде таблиц или графиков. В то же время д

Методы анализа нелинейных цепей
    Используются следующие методы анализа нелинейных цепей: 1. Аналитические. Позволяют в каждом конкретном случае получить ча-

Общее решение задачи анализа нелинейной цепи
    Рассмотрим процессы, происходящие в безынерционном нелинейном уст- ройстве, характеристика которого представлена на рис. 7.2. На вход устройства поступает гармоничес

Определение спектра тока в нелинейной цепи при степенной аппроксимации характеристики
    7.5.1. Гармонический сигнал на входе     Предположим, что рабочий участок характеристики нелинейного элемента описывается

Определение спектра тока в нелинейной цепи при кусочно-линейной аппроксимации характеристики
    При воздействии на нелинейный элемент сигнала с большой амплитудой и выборе рабочей точки на нижнем изгибе вольт-амперной характеристики целе- сообразно применить ме

Нелинейное резонансное усиление сигналов
    Усилитель – это устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала. Управление преобразованием осуществляется входным сиг- налом

Умножение частоты
В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых из- мерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого часто

Амплитудная модуляция
    8.3.1. Общие сведения об амплитудной модуляции     Амплитудная модуляция – это процесс формирования амплитудно-моду- лиро

Выпрямление колебаний
    8.5.1. Общие сведения о выпрямителях     Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энер- гии, поступ

Угловая модуляция
    8.6.1. Общие принципы получения сигналов с угловой модуляцией     Радиосигналы с угловой модуляцией имеют вид

Детектирование сигналов с угловой модуляцией
    8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией     Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид

Преобразование частоты
    8.8.1. Принцип преобразования частоты Преобразование частоты сигнала – это процесс, который обеспечивает ли- нейный перенос спектра сигнала на о

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги