Детекторе

нить следующее расчетное соотношение для нахождения коэффициента передачи АД:

(14.4)

Из (14.4) видно, что клд не зависит от амплитуды приложенного высокочастотного сигнала. В результате выходное напряжение диодного детектора в режиме сильных сигналов пропорционально амплитуде (огибающей) входного сигнала, т. е. Детектирование является линейным. Более точный анализ всех процессов в диодном детекторе при сильных сигналах показывает, что выбором параметров можно получить коэффициент искажений К_н ...2%, т. е. детектирование приближается к идеальному.

Для полупроводниковых диодов считается, что линейное детектирование наступает при амплитуде высокочастотных сигналов

А₀ 0,5 В.

Пример 14.1. В схеме диодного детектора применен диод с крутизной S=

=5 мА/В. Выбрать R_н, С_н, и определить коэффициент передачи детектора, если частота несущей fo =465 кГц, максимальная частота модуляции F_max =6 кГц.

Из условия SR_н >>1 следует, что R_н >>1 /S=l/5 10^-3=0,2 10³ Ом. Выбираем

R_н =22 кОм. Тогда произведение SR_н =110 и для вычисления к можно воспользоваться формулой (14.4):

Из неравенства (14.2) =15,8 пФ и =1206 пФ. Выбираем значение С_н =150 пФ.

Взаимодействие сигнала и помехи в АД. В реальных условиях приема на входе АД присутствуют не только полезный АМ сигнал, но и помехи. Наиболее часто встречаются

два вида помех: флуктуационные типа белого шума и сосредоточенные по спектру от других средств электросвязи.

Механизм взаимодействия в АД сигнала и помехи проследим для простейшего случая. Напряжение на входе детектора является аддитивной смесью двух гармонических колебаний с разными, но близкими частотами:

где первое из слагаемых — полезный сигнал, второе — помеха. Из курса физики известно, что при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами возникают биения с разностной частотой . Эти биения подобны АМ колебанию

огибающая A(t) и высокочастотное частотно-(фазово-) модулированное заполнение (рис. 14.5). Коэффициент модуляции биений согласно (3.5) Огибающая биений не гармоническая, но для практически важного случая (помеха слабая) она приближается к гармонической с частотой и тогда . (14.5)

При линейном детектировании напряжение на выходе детектора совпадает с огибающей биений и его можно найти по (14.1) при значении из М_б (14.5):

(14.6)

Таким образом, из (14.6) следует, что даже при воздействии на АД суммы двух немодулированных колебаний на выходе появляется гармонический сигнал с частотой и амплитудой Мешающее действие этой помехи, например на речевой первичный сигнал, сказывается в виде свиста определенного тона в телефоне.

Соотношение (14.6) показывает, что линейный АД оказывается линейным и для слабой помехи, т. е. отношение сигнал-помеха на входе и выходе АД прямо пропорциональны. Если сигнал и помеха будут не гармонические, а сложные (сигнал модулированный, помеха флуктуационная), то спектр выходного сигнала АД усложняется из-за биений между различными составляющими сигнала и помехи. Но и в этом случае пропорциональность между отношениями сигнал-помеха на входе и выходе АД сохраняются.

Более сложные явления наблюдаются в АД при сильной помехе, когда При этих условиях также возникают биения между сигналам и помехой, но главную роль в формировании огибающей биений будет задавать помеха, а не сигнал. Эта

мощная помеха уменьшает напряжение сигнала на выходе детектора, т. е. в АД наблюдается эффект подавления слабого сигнала сильной помехой.

Недостатком классических схем АД на диодах и транзисторах является низкий коэффициент передачи и низкое входное сопротивление (у диодного), существенная нелинейность входного сопротивления, появление значительных, нелинейных искажений при амплитуде входного напряжения В, наличие эффекта подавления сигнала сильной помехой.

Можно несколько улучшить качественные показатели амплитудного детектирования, применяя в АД дифференциальные усилители с диодами в цепи обратной связи. Но эффект подавления сигнала помехой все же остается.

14.3. СИНХРОННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Синхронным называется амплитудное детектирование высокочастотных колебаний, в котором используется специально выделенное несущее колебание. Предложено в 1934 г. советским ученым Е. Г. Момотом. Принцип работы синхронного детектора (СД) основан на перемножении АМ сигнала (3.7) и колебаний опорного генератора, совпадающих по частоте и фазе с несущей АМ сигнала и выделении ФНЧ из произведения низкочастотных составляющих. Функциональная схема СД представлена на рис. 14.6.

Легко проследить, что в результате операций перемножения и фильтрации на выходе синхронного детектора получим напряжение, пропорциональное модулирующему сигналу:

на выходе перемножителя

(14.7)

на выходе ФНЧ

(14.8)

Сигналы можно перемножать любой из схем балансных модуляторов (см. $ 6.6). Для этой же цели в последнее время изготавливаются специальные аналоговые перемножители на микросхемах.

Синхронные детекторы применяются также для детектирования БМ и ОМ сигналов. Если на вход СД подать сигнал с ОМ или БМ, то, выполнив преобразования, аналогичные (14.7) и (14.8), получим, что сигнал на его выходе совпадает с (14.8), т. е.

СД является идеальным детектором как АМ, так БМ и ОМ сигналов.

Основное преимущество синхронного детектора состоит в том, что в нем происходит перенос спектра из высокочастотной в низкочастотную область без изменения соотношения между амплитудами спектральных составляющих сигнала и помех. Это следует из того, что синхронный детектор можно рассматривать как преобразователь частоты при частоте гетеродина, совпадающей с частотой сигнала. Из равенства амплитуд сигнала и помехи до

Рис.14.6. Функциональная схема синхронного детектора

и после детектора следует, что в синхронном детекторе отсутствует эффект подавления слабого сигнала сильной помехой. Для синхронного детектора характерна линейная зависимость между отношениями сигнал-помеха на входе и выходе. Следовательно,

при синхронном детектировании можно с одинаковой эффективностью применять как додетекторную, так и последетекториую обработку. В ряде случаев предпочтение отдается последетекторной обработке и синхронному детектированию.

Главная трудность при синхронном детектировании заключается в получении синхронного и синфазного с несущей опорного колебания. В спектре АМ сигнала несущая имеется и напряжение, синфазное с несущей, выделяется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) опорного генератора.

При синхронном детектировании БМ и ОМ сигналов возникают принципиальные трудности в получении синфазного опорного напряжения. Это связано с тем, что в спектре БМ и ОМ сигналов несущая отсутствует. Находят применение два технических решения.

1. Вместе с БМ или ОМ сигналами передается так называемый пилот-сигнал, представляющий собой остаток несущей. Пилот-сигнал используется в приемнике для системы ФАПЧ опорного генератора.

2. Применяя высокостабильный генератор несущей, опорный генератор вообще не синхронизирует. Для детектирования используется несинхронная местная несущая, отличающаяся от передаваемой несущей на некоторую частоту , т. е.

(14.9)

Выясним, к чему приведет, например, детектирование ОМ сигнала (3.11) с применением местной несущей (14.9). Для упрощения записей в расчетах положим в (3.11) 0 и будем считать, что частота опорного генератора ниже несущей: . Тогда на выходе перемножителя синхронного детектора

а после фильтрации высокочастотных составляющих с частотой

(14.10)

Если то из (14.10), используя тригонометрическую формулу , получим

. (14.11).

Знак «плюс» в (14.11) относится к детектированию верхней, знак «минус» — нижней боковой полосы частот.

Рис. 14.7 Смещение спектра при детектировании ОМ сигнала с местной несинхронной несущей

Как видно из (14.11), в результате несинхронности несущего и опорного колебаний в системах передачи с ОМ спектр восстановленного сигнала смещается на ЛИ/2л,Гц. Это явление называют сдвигом частот в канале передачи. Оно показано на рис. 14.7. Смещение спектральных составляющих приводит к нарушению гармонического состава сигнала. Так, гармониками частоты 400 Гц являются 800, 1200, 1600,... Гц. Если все частоты получают сдвиг в 10 Гц, то 810, 1210, 1610,...,Гц уже не являются гармониками частоты 410 Гц. Эти искажения снижают качество передачи первичных сигналов. Однако, как показывают экспериментальные исследования, небольшой частотный сдвиг заметно-

го влияния на качество не оказывает. При телефонной связи абонент практически не замечает сдвига частот до 10...20 Гц. При передаче радиовещательных программ допустимым является сдвиг частот до 2 Гц. Примерно такой же сдвиг ( 1 Гц) не сказывается на качестве факсимильной связи. Отсюда следуют весьма жесткие требования к стабильности генераторного оборудования систем связи с ОМ.

14.4. ФАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Принцип работы. Фазовые детекторы (ФД) преобразуют входной фазомодулированный сигнал (3.13) в выходное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала,

(14.12)

где к_ФД — коэффициент передачи ФД.

Выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно только путем его сравнения с немодулированным колебанием, которое называют опорным, поэтому все ФД являются когерентными, строятся с использованием перемножителей и требуют обязательного наличия синхронного с частотой сигнала опорного колебания. Структурная схема ФД аналогична схеме синхронного детектора рис.14.6. На входы перемножителя поступают напряжение ФМ сигнала (3.13) и напряжение от опорного генератора

(начальные фазы ФМ сигнала , и опорного генератора , в общем случае могут и не совпадать). Сигнал после перемиожителя

Фильтр нижних частот подавляет вторую гармонику несущей час-

тоты и на выходе получим

(14.13)

Из (14.13) следует, что выходное напряжение представляет собой функцию разности фаз сравниваемых колебаний. Если принять, что , т. е. одно из колебаний предварительно сдвинуто на угол /2, то и, . При изменениях фазового угла не превышающих /4, можно приближенно считать, что sin и тогда

(14.14)

т. е. напряжение на выходе прямо пропорционально модулирующему сигналу u_м (t). Из сравнения (14~14) и (14.12) следует, что в результате проведенных операций осуществлено линейное детектирование ФМ сигнала. Заметим, что выходное напряжение ФД (14.14) в общем случае определяется не только разностью фаз подводимых напряжений, но и их амплитудами. В практических схемах путем выбора соотношений между амплитудами можно обеспечить необходимую зависимость и_вых от Ао и U_mг. Для исключения воздействия на ФД паразитной АМ входного сигнала включают амплитудный

ограничитель (АО), а напряжение опорного генератора стабилизируют. Структурная схема ФД показана на рис. 14.8. Как и в синхронном детекторе, синхронизация опорного генератора проводится системой ФАПЧ.

Типы фазовых детекторов. Детекторы различаются по типу используемого перемножителя, наличию или отсутствию ограничителя и методам создания опорного напряжения. В качестве перемножителей можно использовать любые нелинейные или

параметрические элементы — диоды, транзисторы, дифференциальные и операционные усилители с управляемой обратной связью, специальные аналоговые перемножители, ключевые схемы и др.

Наибольшее распространение получил балансный фазовый детектор. Сравнение фаз двух напряжений в нем производится ам-

Рис. 14.8. Функциональная схема фазового детектора

плитудным детектированием их суммы. Несмотря на то, что при этом не обеспечивается идеальное перемножение, выбором соотношения между амплитудами сигнального и опорного напряжений можно добиться хорошей линейности детекторной характеристики. Принципиальная схема балансного ФД (рис. 14.9,а) состоит из двух встречно включенных идентичных амплитудных диодных детекторов, на входы которых подаются сравниваемые напряжения и₁ и и₂ так, что на диоде VDi они складываются, а на

VD₁ — вычитаются. Амплитуды результирующих напряжений на диодах можно определить, пользуясь векторной диаграммой рис. 14.10:

Поскольку постоянные напряжения на нагрузках детекторов действуют встречно, при К_АД1 =К_АД2 =К_АД

(14.15)

Это выражение представляет собой уравнение детекторной характеристики балансного ФД. Обращает внимание симметричность детектора по входам и₁ и и₂. Следовательно, для правильной работы ФД безразлично, к какой обмотке подводить опорный сигнал.

Наиболее близкая к линейной детекторная характеристика имеет при U_m1 =U_m2 При этом в пределах изменений разности фаз от 30 до 150' отклонение от.линейной зависимости не превышает 2%, т. е. для линейного фазового детектирования балансным ФД максимальная девиация фазы не должна превышать

60'.

Можно увеличить линейность детекторной характеристики ФД до предельного значения 90', если вместо аналогового перемножителя применить логические, схемы, работающие в ключевом режиме (отпирание и запирание). Такие ФД называются ключе-

выми. Конечно, для управления логическими схемами ФМ и опор-

Рис.14.9 Балансный фазовый детектор: Рис. 14.10.Векторная диаграмма балансного