Запомните основные положения

13.1. В приемнике осуществляются следующие основные операции — обработка, усиление и детектирование сигналов.

13.2. Основная цель обработки — выделение полезного сигнала и подавление помех.

13.3. Наиболее часто разделение сигнала и помехи производится фильтрами.

13.4. Оптимальный фильтр Колмогорова — Винера выделяет полезный случайный непрерывный сигнал с наименьшей средне квадратической ошибкой (разностью).

13.5. Согласованный фильтр выделяет полезный сигнал известной формы из смеси с помехой при наибольшем отношении сигнал-помеха.

13.6. Практически для обработки простых дискретных лов используются квазиоптимальные фильтры, стробировании тегральный и корреляционный приемы.

КОНТРОЛБНЫЕ ВОПРОСЫ

13.1. Каковы основные задачи приема и главные функции приемник.

13.2. В чем общность и различие задач обнаружения, различения и восстановления сигналов?

13.3. На каких свойствах сигнала и помехи основана частотная фильтрация сигналов?

13.4. Что понимается под фильтром Колмогорова — Винера? Какими харак-теристиками он обладает?

13.5; Какие фильтры называются согласованными?

3.6. Какой импульсный отклик и комплексную передаточную функцию

имеет фильтр, согласованный при белом гауссовском шуме с сигналом s(t)?

13.7. Похожи ли символы на входе и выходе согласованного фильтра в отсутствие помех?

13.8. Какие фильтры называются квазиоптимальнымн?

ЗАДАЧИ

13.1. Спектральные плотности мощности напряжений сигнала и аддитивного

шума определены соотношениями:

Определить передаточную функцию оптимального фильтра Колмогорова — Винера для заданного сигнала.

Ответ:

13.2. Выделяемый согласованным фильтром полезный сигнал представляет собой радиоимпульс с амплитудой U_m и длительностью t_s =l0 мкс. Белый шум на входе фильтра имеет спектральную плотность мощности N₀=4* 10^-16 В²с.

Определить минимальное значение U_{m min}, при котором еще возможно обнаружение этого сигнала, если считать, что приемник надежно работает при отношении сигнал-шум р_вых=10 дБ

О т в е т: U_{m min}=2*10^-5В

13.3. Определить полосу пропускания П_0,5 манипуляционного фильтра для р

дискретных сигналов в виде прямоугольных импульсов со скоростью модуля-

ции В=1200 Бод.

Ответ: П_0,5 1680 Гц.

Гл а в а 14. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

14.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

О ДЕТЕКТИРОВАНИИ СИГНАЛОВ

Детектированием называется такое преобразование модулированного сигнала, в результате которого получается модулирующий (первичный) сигнал. Операция детектирования прямо противоположна модуляции и является нелинейной, поскольку в спектре модулированного сигнала отсутствуют спектральные составляющие

модулирующего сигнала, поэтому детекторы являются, как правило, нелинейными устройствами, редко — параметрическими.

Обобщенную структурную схему детектора можно представить в виде последовательного соединения двух элементов: нелинейного (параметрического) преобразователя, на выходе которого при воздействии модулированного сигнала появляются составляющие модулирующего сигнала и фильтра нижних частот (ФНЧ), предотвращающего прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Любой детектор характеризуется: детекторной характеристикой, коэффициентом передачи, частотной характеристикой.

Детекторной характеристикой называют зависимость постоянной составляющей напряжения U= на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. Например, величина U= зависит: в детекторе АМ сигналов от амплитуды А, в детекторе ЧМ сигналов от частоты ы, в детекторе ФМ сигналов от фазы . Для обеспечения детектирования без искажений детекторная характеристика должна быть линейной — в общем случае представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом а к оси абсцисс (рис. 14.1). Конечно, детекторная характеристика для различных детекторов и видов модуляции имеет особенности. Так, для амплитудного

детектора она определена только при положительных значениях

амплитуды А, для фазового детектора — периодическая с периодом 2 .

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала на выходе детектора U_m к амплитуде приращения информационного параметра несущей. Численно коэффициент передачи детектора кд можно определить из детекторной характеристики как к_д = k tg , где k — масштабный коэффициент пропорциональности.

Частотная характеристика детектора представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения детектора U_m от частоты модулирующего гармонического сигнала. Она имеет такой же вид, как и частотная характеристика модулятора (см. рис. 6.6). По частотной характеристике детектора определяют как линейные (частотные) искажения в детекторе, так и полосу эффективно передаваемых

частот.

Рис. 14.1 Типичная детекторная характеристика

14.2. АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Принцип детектирования АМ сигналов. Амплитудные детекторы (АД) преобразовывают входной АМ сигнал вида (3.7) S_АМ (u_м,t)=A₀ [1+Mu_м (t)]cos()в переменное

выходное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала

и _{вых АД}= к_АДМА₀и_м(t) (14. 1)

где код — коэффициент передачи детектора. Традиционно наибольшее распространение в настоящее время получили АД с нелинейными элементами. Функциональная схема такого АД и временные диаграммы, характеризующие принцип детектирования, показаны на рис. 14.2. Нелинейный элемент с резистивной нагрузкой используется как односторонний ограничитель. Если на негo подать АМ сигнал (3.7), то на выходе получим сигнал u₁ (t)

(рис. 14.2, в) в виде полусинусоид (однополупериодное выпрямление с углом отсечки =90⁰), которые можно разложить в ряд Фурье, пользуясь табл. П.2 и положив для упрощения =0:

Составлякицие ряда с частотами и т. д. отфильтровываются ФНЧ и на выходе фильтра остается постоянная составляющая аАо/ и модулирующий сигнал. Если постоянная составляющая не нужна, то она задерживается разделительной емкостью.

Тогда выходной сигнал АД

Заметим, что в приведенном детекторе сигнал на выходе и модулирующий сигнал связаны прямой пропорциональностью, поэтому такой режим работы детектора принято называть линей-

Рис. Амплитудный детектор: а –функциональная схема; б – условное обозначение; в – временные диаграммы работы

ным. Он обеспечивает отсутствие искажений модулирующего сигнала, т. е. является идеальным амплитудным детектором.

Аналогично можно построить АД с двухполупериодным выпрямлением. При этом в спектре выходного сигнала будут отсутствовать частоты ,..., что упрощает фильтрацию.

Описанный принцип лежит в основе классических АД на лампах, транзисторах, микросхемах с различными способами включения нагрузки и модулированного высокочастотного колебания. Это анодные, сеточные, коллекторные, базовые, эмиттерные, стоковые и другие детекторы. Как ФНЧ в них обычно включается

параллельная цепочка R_н,С_н значения элементов которой для эффективной фильтрации составляющих с частотами выбирается согласно неравенству

, (14.2)

где — максимальная частота модулирующего сигнала.

Диодный детектор. Схема простейшего АД (рис. 14.3,а) состоит из диода, резистора нагрузки Я„зашунтированного по высокой частоте конденсатором С,. Это так называемый диодный детектор, который получил самое широкое распространение для

детектирования АМ сигналов как в профессиональной, так и в бытовой радиоаппаратуре. В диодном детекторе в настоящее время используются в основном полупроводниковые (германиевые, кремниевые и др.) диоды, которые почти вытеснили вакуумные диоды.

При всей простоте схемы физические процессы детектирования здесь сложнее, чем, например, в коллекторном АД. Это связано с воздействием выходного сигнала на входной, различными сопротивлениями детектора как для отрицательных и положительных полуволн высокочастотного сигнала, так и постоянному и переменному току и др.

Различают два режима детектирования — слабых и сильных

сигналов. При слабых входных сигналах ВАХ диода можно ап-

Рис. Диодный детектор: а –схема; б - временные диаграммы

проксимировать квадратичным полиномом (4.7) с коэффициентами a₁, a₂. При подаче на вход схемы АМ сигнала (3.7) s_АМ ток диода

Так как составляющие с частотами ррр, 2ао шунтируются емкостью С_н то на выходе детектора будет низкочастотное напряжение, выделяемое на нагрузке R_н:

(14.3)

Из этого выражения следует, что напряжение на выходе АД пропорционально квадрату амплитуды несущей А, поэтому такой режим работы АД называют квадратичным. При малых значениях Ао коэффициент передачи квадратичного детектора мал.

Другим, более существенным недостатком квадратичного детектирования являются нелинейные искажения. Об этом свидетельствует наличие в (14.3) квадратичного слагаемого . Коэффициент искажений, определяемый как отношение амплитуд выходных колебаний с частотами Q и 20, К_и =М/4. При глубокой амплитудной модуляции нелинейные искажения на выходе квадратичного детектора оказываются весьма значительными. Это ограничивает область применения квадратичного детектирования. На практике чаще всего применяется линейный режим детектирования, при котором используются более сильные входные сигналы. В этом случае можно считать, что ВАХ диода имеет кусочно-линейный вид с нулевым напряжением начала и крутизной S (рис. 14.3,б). Для нормального функционирования схемы

необходимо, чтобы сопротивление нагрузки R_н значительно превышало сопротивление диода в прямом направлении, т. е. SR_н 1. Кроме того, величины R. и С, должны также удовлетворять неравенству (14.2), чтобы они выполняли роль фильтра высокочастотных составляющих. При детектировании высокочастотного колебания заряд конденсатора С через прямое сопротивление открытого диода проходит гораздо быстрее, чем его разряд через большой резистор нагрузки, поэтому выходной сигнал представляет собой пилообразную кривую с малой высотой зубцов (рис. 14.4). Средний уровень выходного напряжения близок к амплитуде входного сигнала. Это выходное выпрямленное напряжение приложено к диоду так, что смещает рабочую точку влево,поэтому диод большую часть периода оказывается закрытым.

'Процесс детектирования модулированного напряжения диодным детектором иллюстрируется временной диаграммой, показанной на рис.14.3,б, которая для наглядности совмещена с ВАХ диода. Интервалы напряжения, когда диод открыт, затемнены.

Коэффициент передачи диодного детектора к_АД=соs . Угол от-

сечки зависит от сопротивления нагрузки R_н, и крутизны характеристики диода S. При SR_н 1 угол и тогда можно приме-

Рис. 14.4 Временные диаграммы Рис.14.5 Временная диаграмма биений двух