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 д(ϕ)
– амплитуда суммарного
Величину U д(ϕ)
легко определить по векторной диаграмме
Тогда
Uд(ϕ) =
|
2 +U 2 + 2UопUн cos ϕ .
|
|
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:
|
uд2(t) = Uоп cosω0t −Uн cos[ω0t + ϕ(t)].
|
|
|
|
2 +U 2 + 2UопUн cosϕ ;
Uд2 (ϕ) =
2 +U 2 − 2U
|
cosϕ .
|
Uфд(ϕ) = К⎛
U2 +U 2 + 2UопUн cosϕ −
U2 +U 2 − 2UопUн cosϕ ⎞
⎜ оп н
⎝
оп н ⎟ =
⎠
|
⎝
1+ n2 + 2ncosϕ −
1+ n2 − 2ncosϕ ⎞,
⎠
n = Uн Uоп .
Таким образом, выходное напряжение детектора зависит не только от раз-
|
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 ⎟.
|
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.