Детектирование сигналов с угловой модуляцией

 

 

8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией

 

 

Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид

uвх (t) = Uн cos[ω0t + ϕ(t)],

детектируются фазовыми и частотными детекторами.

Фазовый детектор (ФД) – это устройство, формирующее выходной сиг- нал, закон изменения которого соответствует закону изменения фазы входного высокочастотного сигнала (рис. 8.27,а).

Частотный детектор (ЧД) – это устройство, формирующее выходной сигнал, закон изменения которого соответствует закону изменения частоты входного высокочастотного сигнала (рис. 8.27,б).

 

а б

 

Рис. 8.27. Фазовый (а) и частотный (б) детекторы

 

 

Известно, что между частотой и фазой гармонического колебания сущест-

вует следующая зависимость:

ω (t ) = dϕ(t )

dt

t

и ϕ(t ) = ∫ω(t )dt.

Поэтому с помощью частотного детектора можно выполнить фазовое де-

тектирование, если выходной сигнал ЧД проинтегрировать. В свою очередь с

помощью фазового детектора можно выполнить частотное детектирование, ес-

ли выходной сигнал ФД продифференцировать (рис. 8.28).

 

Рис. 8.28. Взаимосвязь между фазовым и частотным детекторами

 

8.7.2. Фазовые детекторы

 

 

В основу построения фазовых детекторов положено определение разности

фаз опорного напряжения

uоп(t) = Uоп cos ω0t

и фазомодулированного колеба-

ния

uвх(t) = U н cos[ω0t +ϕ(t)] . Напряжение

uоп(t )

называют опорным, по-

скольку отсчет фазы ведется относительно него. Для определения разности фаз осуществляется перемножение этих напряжений с последующим выделением необходимых составляющих фильтром низкой частоты. В качестве перемножи- теля обычно используют нелинейный элемент (диод, транзистор) с квадратич- ной характеристикой, благодаря чему в спектре тока этого элемента имеются составляющие, зависящие от разности фаз входных колебаний. Низкочастот- ный фильтр, связанный с нелинейным элементом, выделяет эти составляющие (рис. 8.29).

 

 

Рис. 8.29. Структурный состав фазового детектора

 

 

Схема фазового детектора на диоде и векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования выходного напряжения, приведены на рис. 8.30.

 

 

Рис. 8.30. Схема фазового детектора

 

 

Диод VD и низкочастотный фильтр RC образуют по существу схему, по- добную схеме амплитудного детектора. Схема фазового детектора характеризу- ется тем, что на диод воздействует сумма двух напряжений одинаковой часто- ты: опорного и фазомодулированного, т.е.

uд(t) = Uоп cosω0t +Uн cos[ω0t + ϕ(t)].

Выходное напряжение ФД будет равно

Uфд(ϕ) = KU д(ϕ), где K – коэф-

фициент передачи низкочастотного фильтра,

U

н

оп

сигнала, воздействующего на диод.

U д(ϕ)

– амплитуда суммарного

Величину U д(ϕ)

легко определить по векторной диаграмме

 

Тогда

Uд(ϕ) =

U

Uфд(ϕ) = K

2 +U 2 + 2UопUн cos ϕ .

н

оп

2 +U 2 + 2UопUн cosϕ .

Зависимость выходного напряжения детектора от разности фаз входных колебаний называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ). Вид ха- рактеристики представлен на рис. 8.31.

 

 

Рис. 8.31. Амплитудно-фазовая характеристика ФД

 

 

Недостатком данной схемы фазового детектора является нелинейность АФХ, наличие большого количества спектральных составляющих тока нели- нейного элемента (в том числе и постоянной составляющей), которые необхо- димо отфильтровывать. Поэтому такой ФД используется редко.

Значительно меньше составляющих в спектре тока балансного фазового детектора (рис. 8.32).

 

Рис. 8.32. Схема балансного фазового детектора

 

 

Схема состоит по существу из двух детекторов на диодах. Опорное напря- жение на диоды поступает в фазе, сигнальное – в противофазе, а выходное на- пряжение формируется как результат встречного включения выходных напря- жений.

Для данной схемы на диоды подаются следующие напряжения:

U

uд1(t) = Uоп cosω0t +Uн cos[ω0t + ϕ(t)];

uд2(t) = Uоп cosω0t −Uн cos[ω0t + ϕ(t)].

н

н

Амплитуды этих напряжений определяются выражениями

U

оп

Uд1(ϕ) =

2 +U 2 + 2UопUн cosϕ ;

Uд2 (ϕ) =

2 +U 2 − 2U

 

⎟

опUн

cosϕ .

оп

Тогда напряжение на выходе ФД равно

Uфд(ϕ) = К⎛

U2 +U 2 + 2UопUн cosϕ −

U2 +U 2 − 2UопUн cosϕ ⎞

⎜ оп н

⎝

оп н ⎟ =

⎠

⎜

= КUоп⎛

⎝

1+ n2 + 2ncosϕ −

1+ n2 − 2ncosϕ ⎞,

⎠

n = Uн Uоп .

Таким образом, выходное напряжение детектора зависит не только от раз-

⎛

ности фаз, но и от амплитуд опорного и сигнального напряжений. На практике

ФД работают обычно при соотношениях

n = 1 и

n <<1.

При

n = 1 выражение для выходного напряжения ФД преобразуется к виду

 

 

Uфд(ϕ) = КUоп

2( 1+ cosϕ −

1− cosϕ )= 2KUоп⎜cos ϕ

⎞

−sin ⎟.

ϕ

2 ⎠

В то же время при

⎝

n << 1

Uфд(ϕ) ≈ КUоп(

1+ 2ncosϕ −

1− 2ncosϕ).

Графики

Uфд(ϕ)

при

n = 1 и

n <<1

приведены на рис. 8.33. При

n = 1

АФК фазового детектора отличается повышенной линейностью.

С позиции спектрального анализа данный факт объясняется тем, что ос- новная часть паразитных составляющих спектра тока нелинейного элемента компенсируют друг друга (в силу противофазности сигнального напряжения на

нелинейных элементах и принципа формирования выходного напряжения в ви- де разности напряжений низкочастотных фильтров на выходе ФД), что повы- шает результативность фильтрации.

 

 

Рис. 8.33. Амплитудно-фазовая характеристика балансного ФД

 

 

Определенными достоинствами обладает схема фазового детектора на транзисторе (рис. 8.34).

 

Рис. 8.34. Схема фазового детектора на транзисторе

 

 

На транзисторе собран усилительный каскад. В коллекторную и эмиттер-

ную цепи транзистора включены нагрузочные сопротивления

R1 и

R2 , причем

R1 = R2 . Нелинейные элементы (диоды VD1 и VD2 ) имеют общую нагрузку, со-

стоящую из фильтра

RфCф. Резисторы

R6 , R7

– антипаразитные, резистор R8

предотвращает шунтирование источника опорного напряжения через емкость

Cф . С нагрузки усилителя снимаются два напряжения

U c1

и U c2 , равные по

величине, но противоположные по знаку. Опорное напряжение

U оп

подается

на диоды в противофазе (с учетом их встречного включения), а напряжения U c1

и U c2

– в фазе. Поэтому основные принципы функционирования рассматри-

ваемого и балансного детекторов во многом аналогичны. Детектор достаточно широкополосен, работает в диапазоне частот до 30 МГц. Отсутствие в схеме индуктивностей позволяет выполнить ФД в виде интегральных микросхем.

8.7.3. Частотные детекторы

Нелинейный элемент проявляет свои свойства при изменении напряжения, поступающего на его вход. При этом он практически не реагирует (в спек- тральном смысле) на изменения таких его параметров, как частота и фаза. По- этому непосредственное преобразование частотно-модулированного сигнала с помощью нелинейных элементов не приводит к формированию тока, в спектре которого содержатся составляющие с частотой модулирующего сигнала. Тре- буются дополнительные преобразования ЧМ-сигнала, чтобы в заключение сформировать сигнал, отражающий характер изменения его частоты.

Наиболее часто процесс частотного детектирования реализуют в два этапа: преобразование ЧМ-сигнала в сигнал с амплитудной модуляцией и последую- щее его детектирование с помощью амплитудного детектора (рис. 8.35). Огра- ничитель устраняет влияние возможного изменения амплитуды ЧМ-сигнала на величину выходного напряжения детектора.

 

 

Рис. 8.35. Структурная схема частотного детектора

 

 

Можно встретить частотные детекторы, основанные на преобразовании частотной модуляции в соответствующий сдвиг фаз между двумя колебаниями, которые детектируются фазовым детектором.

Наиболее простой является схема частотного детектора с расстроенным контуром (рис. 8.36).

 

 

Рис. 8.36. Схема одноконтурного частотного детектора

 

 

Усилитель-ограничитель – это резонансный усилитель, транзистор которо- го работает с пониженным напряжением коллекторного питания. Ограничение происходит за счет нижней и верхней отсечек коллекторного тока. В качестве преобразователя ЧМ-сигнала в колебания с изменяющейся по закону модули- рующего сигнала амплитудой служит колебательный контур. Диодный ампли- тудный детектор на выходе выделяет огибающую этого колебания.

Колебательный контур расстроен относительно несущей частоты входного

сигнала на величину

∆ω , благодаря чему является чувствительным элементом

к изменению частоты входного сигнала. Это поясняется рис. 8.37, на котором

изображена резонансная характеристика контура по напряжению U к (ω), изме-

няющаяся частота входного сигнала

ω(t )

и напряжение

U к (t ) , характеризую-

щее изменение амплитуды колебаний в контуре.

 

 

Рис. 8.37. Преобразование частотной модуляции в амплитудную

 

 

Как видно из рис. 8.37, колебательный контур обеспечивает формирование колебаний с изменяющейся амплитудой. Закон изменения амплитуды тем точ- нее повторяет закон изменения частоты входного сигнала (с учетом фазового

сдвига на π ), чем прямолинейнее боковая ветвь резонансной характеристики

контура. Амплитудный детектор выделяет огибающую

Uк (t ), формируя вы-

ходной сигнал с законом изменения, соответствующим закону частотной моду-

ляции, т.е. сигнал U чд(ω).

Недостатком такой схемы частотного детектора является малый линейный

участок резонансной характеристики колебательного контура, что ограничивает возможность детектирования сигналов с большой девиаций частоты. Этот не- достаток устраняется в балансных частотных детекторах.

На рис. 8.38,а приведена схема балансного ЧД с двумя параллельными рас-

строенными контурами.

Контуры расстроены на величину ∆ω

относительно резонансной частоты

(или частоты несущего колебания) в обе стороны, т.е.

ωр1 =ω0 −∆ω и

ωр2

= ω0 + ∆ω . Их напряжения подаются на амплитудные детекторы, которые

включены встречно. Следовательно, выходное напряжение ЧД будет равно раз- ности выходных напряжений амплитудных детекторов. При этом зависимость выходного напряжения ЧД от частоты входного сигнала при его постоянной амплитуде, называемая амплитудно-частотной характеристикой детектора, бу- дет иметь вид дискриминаторной характеристики (рис. 8.38,б).

 

а б

 

 

Рис. 8.38. Схема балансного ЧД с расстроенными контурами (а) и его характеристика (б)

 

 

Особенностью данного ЧД является относительная сложность его настрой- ки с целью обеспечения равенства коэффициентов передачи амплитудных де- текторов и параметров усилителей.

Используется также балансный детектор со связанными контурами. Он со-

стоит (рис. 8.39) из усилителя, нагрузкой которого является система двух свя-

занных контуров

L1C1 и

L2C2 . Они образуют двухконтурный полосовой

фильтр, настроенный на частоту несущего колебания, с помощью которого осуществляется преобразование частотной модуляции в амплитудную.

 

 

Рис.8.39. Схема балансного ЧД со связанными контурами

 

 

Усилитель работает в режиме амплитудного ограничения. Между конту-

рами установлена индуктивная связь. Кроме того, с помощью сравнительно

большой емкости

 

ра.

C p1

первый контур связан со средней точкой второго конту-

В результате на амплитудные детекторы подаются два напряжения. На-

пряжение U m1

с контура

L1C1

через среднюю точку второго контура поступает

на амплитудные детекторы в фазе, а напряжение U m2 , передаваемое индуктив-

ной связью, – в противофазе. Таким образом, амплитуды напряжений на диодах

VD1 и VD2 будут равны соответственно

 

 

Uд1 =Um1 +Um2 2

и U д2

=Um1 −Um2 2.

 

 

Напряжение на выходе схемы будет равно

 

 

Uфд

= K (Uд1 −Uд2 ).

Особенностью связанных контуров является тот факт, что фазовые соот-

ношения между напряжениями на первом и втором контурах зависят от соот-

ношения частоты поступающего сигнала ωc

турного полосового фильтра ωp.

и резонансной частоты двухкон-

Если ωc

= ωp , то напряжение на втором контуре отстает от напряжения на

 

первом контуре на

90î . Если ωc

> ωp , то сопротивление второго контура но-

сит емкостный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах воз-

растает на величину

ϕ = arctg α , где

α = 2(ωc −ωp )Q ωp

– обобщенная рас-

стройка контура. Если

ωc < ωp , то сопротивление второго контура носит ин-

дуктивный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах умень-

шается на величину

arctg α .

Векторная диаграмма амплитуд сигналов для этих случаев изображена на рис. 8.41.

 

 

Рис. 8.41. Векторные диаграммы балансного ЧД со связанными контурами

 

 

Следовательно, напряжение на выходе рассматриваемого детектора будет изменяться в зависимости от частоты входного сигнала так, как показано на рис. 8.40.