В спектрах АМ сигналов нет низкочастотной составляющей, соответствующей исходному моделирующему сигналу. Для того чтобы восставить сигнал сообщения, необходимо осуществить детектирование – процесс,

В спектрах АМ сигналов нет низкочастотной составляющей, соответствующей исходному моделирующему сигналу. Для того чтобы восставить сигнал сообщения, необходимо осуществить детектирование – процесс, обратный модуляции. Детектирование, как и модуляция, - нелинейное преобразование сигнала. Нелинейный элемент обогащает спектр выходного сигнала новыми спектральными компонентами, а фильтр выделяет низкочастотные компоненты. В качестве нелинейных элементов при детектировании можно использовать вакуумные диоды, транзисторы, полупроводниковые диоды. Чаще всего используются полупроводниковые диоды, причём применяются только точечные диоды, так как плоскостные диоды имеют большую входную ёмкость

Рассмотрим детектирование АМ сигналов. На рис. 1 приведены схемы амплитудных детекторов.

Рис. 1. Схема последовательного – (а) и параллельного – (б)

диодных АМ детекторов

Важными характеристиками и параметрами амплитудных детекторов являются следующие:

1. Семейство выпрямительных характеристик .

2. Коэффициент передачи для немодулированного сигнала.

3. Коэффициент передачи для модулированного сигнала, где - амплитуда выходного напряжения детектора.

4. Входное сопротивление детектора , где - ток первой гармоники.

5. Выходное сопротивление детектора .

6. Частотные и фазовые искажения.

7. Нелинейный искажения сигнала , где - мощности гармоник выходного сигнала, выделяемые на сопротивлении нагрузки детектора.

8. Коэффициент подавления несущего колебания . Величина зависит от схемы детектора, параметров фильтра, вида и режима работы детектора.

Рассмотрим процесс детектирования АМ сигнала на примере схемы последовательного детектора.

Рис. 2. Диаграмма тока, протекающего через диод (жирная линия –

усреднённый ток) – а), спектр этого тока – б) и спектр выходного

напряжения – в).

При подаче на вход этой цепи АМ сигнала в ней пойдёт импульсный ток, пропорциональный амплитуде ВЧ колебаний (рис. 2а). RC -фильтр нижних частот проинтегрирует (усреднит) импульсы тока, и на выходе детектора появится низкочастотная огибающая импульсного тока (низкочастотная составляющая), которая и несёт информацию об исходном сигнале. Следует обратить внимание на тот факт, что времена заряда и разряда конденсатора различны: так , где - сопротивление диода а прямом направлении, С – ёмкость, шунтирующая сопротивление нагрузки детектора R, а постоянная времени разряда конденсатора . Как правило, эти времена сильно различаются, так как

(так, например, - десятки-сотни Ом, - единицы-десятки кОм). Постоянная времени фильтра низких частот выбирается так, чтобы обеспечить неискажённое воспроизведение огибающей АМ колебаний и необходимое сглаживание высокочастотных пульсаций: , где - наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала (обычно и эти условия выполняются).

Возможны два режима работы детектора: квадратичный и «линейный». При подаче на вход детектора АМ сигнала с малой амплитудой ( В) реализуется квадратичный режим. Представим рабочий участок характеристики диода (рис.3а) в виде полинома второй степени: . Для простоты анализа положим, что модулирующий сигнал – гармоническое колебание (рис. 3б) и (начальные фазы несущей и модулирующего колебания положим равными нулю). При воздействии этого сигнала на АМ детектор в цепи диода появляется ток (рис.3в) .После преобразований спектральный состав тока в диоде можно представить в таком виде (индексы показывают частоты гармоник):

. Составляющие тока отфильтровывается RC – фильтром. Остальные токи выражают результат детектирования. Обозначим их (на рис.3в этот ток показан сплошной жирной линией) и перепишем выражение для

Первый, второй и четвертый члены полученного выражения представляют собой постоянную составляющую . Третий член – составляющая тока с частотой - полезен, а последний член с частотой представляет нелинейные искажения: .

Итак, детектирование слабых сигналов называют квадратичным потому, что амплитуда составляющей низкой частоты пропорциональна квадрату амплитуды несущей частоты. Коэффициент гармоник при квадратичном детектировании значителен:

например, при m=100% .

Рис. 3. Графики, поясняющие работу квадратичного детектора АМ сигналов.

При квадратичном детектировании высокочастотных импульсов с прямоугольной огибающей форма выходных импульсов очень мало отличается от огибающей ВЧ напряжения, действующего на входе. Однако если на вход детектора подано высокочастотное колебание, промодулированное сложным сигналом, содержащим большое количество гармоник (речь, музыка и т.д.), то на выходе детектора появится, кроме основных частот и их гармоник, большое число комбинационных частот. При глубокой модуляции это очень сильно скажется на разборчивости и тембре выходного сигнала. Поэтому квадратичное детектирование нецелесообразно использовать в тех случаях, когда требуется неискаженное воспроизведение сигнала. Этот вид детектирования используют в основном в измерительной технике, радиолокации и др.

Рассмотрим режим «линейного» детектирования. В этом режиме работы детектора на его вход подаётся модулированный сигнал с большой амплитудой. Тогда характеристику диода, пренебрегая криволинейностью нижнего сгиба, можно аппроксимировать ломаной прямой (рис.4а):

,

где S – крутизна ВАХ. Подавая на вход детектора АМ сигнал (рис.4б)

для огибающей положительных амплитуд тока на выходе получим а для Среднее же значение огибающей тока (на рис.4в она показана жирной линией) Так как высокочастотная компонента тока отфильтровывается RC–фильтром, то в спектре выходного сигнала содержится только постоянный ток и низкочастотная с частотой, равной частоте модулирующего сигнала, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту модуляции.

Таким образом, у линейного диодного детектора отсутствуют нелинейные искажения. К тому же коэффициент передачи у линейного детектора выше, чем у квадратичного. Заметим, что хотя рассмотренный выше процесс детектирования называют линейным, нужно помнить, что детектирование – нелинейный процесс, в результате которого появляются новые спектральные составляющие, которых не было во входном сигнале. Название «линейный» отражает лишь тот факт, что восстановленный низкочастотный сигнал пропорционален ВЧ входному.

Диодный детектор оказывает шунтирующее действие на цепь, являющуюся источником сигнала. Найдём входное сопротивление детектора из энергетических соображений. Мощность высокочастотного колебания, потребляемая детектором, рассеивается в сопротивлении диода - и в сопротивлении нагрузки - : Выразим мощности через составляющую ток первой гармоники (его амплитудное значение), протекающий через диод и среднеквадратическое значение тока Если то Поэтому или Таким образом, Если то поэтому

Рассмотренные выше детекторы являются по сути однополупериодными выпрямительными схемами. Довольно часто используется схема двухтактного детектора (рис.5а).

Питание детектора осуществляется противофазными напряжениями сигнала. Полное входное сопротивление такого детектора а выходное - (при полной симметрии схемы). Преимуществом такого детектора является то, что частота пульсации выходного напряжения вдвое выше, что облегчает фильтрацию несущего колебания.

Рис. 4. Графики, поясняющие работу линейного детектора.

Для повышения выходного напряжения детектора иногда используется схема с удвоением напряжения (рис.5б).

Дата добавления: 2015-08-27