22341

Детекторы радиосигналов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Амплитудные детекторы Амплитудный детектор устройство на выходе которого создается напряжение в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Если на входе АД действует напряжение ивх модулированное по амплитуде колебанием с частотой F то график изменения этого напряжения во времени и его спектр имеют вид показанный на рисунке 2а. Напряжение на выходе детектора ЕД рисунок 2б должно меняться в соответствии с законом изменения огибающей Uвх входного напряжения ивх. Таким образом напряжение на выходе АД...

Русский

2013-08-04

676.5 KB

66 чел.

Лекция 5. Детекторы радиосигналов

Общая классификация детекторов

Детектором называют устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала. Детектирование - процесс обратный модуляции. Если на входе детектора существует амплитудно-модулированный сигнал вида , то на выходе необходимо получить сигнал вида .

Эффективность работы детектора оценивается коэффициентом детектирования, равным отношению амплитуды низкочастотного выходного сигнала к амплитуде входного высокочастотного сигнала:

  Детектирование осуществляется путем подачи модулированного сигнала на нелинейный элемент с последующей высокочастотной фильтрацией. Детекторы можно классифицировать по характеру входного сигнала и виду параметра, который подвергается модуляции; по способу выполнения и т. д.

Радиосигналы можно разделить на три основные группы:

  1.  непрерывные гармонические (рисунок 1а), в которых передаваемое сообщение заложено в модуляцию одного из следующих параметров гармонического колебания: амплитуды Uвх, частоты fвх, фазы φвх. В зависимости от вида модуляции детектируемого сигнала различают: амплитудные (АД), частотные(ЧД) и фазовые (ФД) детекторы;
  2.  

радиоимпульсные сигналы (рисунок 1б), в которых сообщение передается с помощью модуляции одного из следующих параметров сигнала: пикового напряжения Uпик, частоты fвх, длительности импульса τИ (широтно-импульсная модуляция - ШИМ), времени начала импульса tНИ (временная импульсная модуляция — ВИМ). Для детектирования подобных сигналов используют детекторы радиоимпульсов;

  1.  

видеоимпульсные сигналы показаны на рисунке 1в; модуляция в видеоимпульсах может осуществляться изменением пикового значения импульса Uпик (амплитудно-импульсная модуляция - АИМ), длительности импульса τИ (ШИМ); времени начала импульса tНИ (ВИМ или ФИМ); возможно изменение комбинации импульсов в группе - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Детектирование подобным сигналов осуществляется детектором видеоимпульсов. Детектор, реагирующий на пиковое значение видеоимпульса, называют пиковым.

Амплитудные детекторы

Амплитудный детектор - устройство, на выходе которого создается напряжение в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Если на входе АД действует напряжение ивх, модулированное по амплитуде колебанием с частотой F, то график изменения этого напряжения во времени и его спектр имеют вид, показанный на рисунке 2а. Напряжение на выходе детектора ЕД (рисунок 2б) должно меняться в соответствии с законом изменения огибающей Uвх входного напряжения ивх. Как известно, спектр AM-колебания на входе АД состоит из трех составляющих: несущего колебания с несущей частотой fH и амплитудой UН, и двух боковых составляющих с частотами fН+F и fН -F и амплитудами 0,5mUН— коэффициент модуляции); спектр продетектированного напряжения ЕД состоит из двух составляющих: постоянной составляющей ЕД0 на частоте f=0 и низкочастотной составляющей с частотой F и амплитудой UF (рисунок 2б). Таким образом, напряжение на выходе АД содержит составляющие частот, которых не было во входном напряжении. Поэтому задача амплитудного детектирования не сводится к простой фильтрации с помощью линейной цепи с постоянными параметрами (линейная цепь с постоянными параметрами не создает составляющих с новыми частотами). Новые частотные составляющие могут возникнуть только при прохождении сигнала через параметрическую линейную цепь либо через нелинейную цепь. Следовательно, в зависимости от способа выполнения АД можно подразделить на синхронные детекторы, использующие линейную цепь с периодически меняющимися параметрами, и детекторы на основе нелинейной цепи. В свою очередь, в зависимости от типа электронного прибора, реализующего нелинейную цепь, АД подразделяют на диодные и транзисторные. В зависимости от того, нелинейность характеристики какого тока транзистора используется для детектирования, транзисторные АД делят на коллекторные, базовые, эмиттерные, стоковые, затворные и истоковые. На практике наиболее часто используют диодные АД.

Рисунок 2

Принцип работы АД.

Параметрические (синхронные) АД.

В синхронных детекторах под действием гетеродина периодически во времени меняется параметр цепи (наиболее часто крутизна преобразовательного элемента). Поскольку к таким устройствам относятся преобразователи частоты, то структурная схема параметрического АД совпадает со структурной схемой преобразователя частоты. Основное отличие параметрического АД от преобразователя состоит в том, что частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания на входе детектора, т. е. гетеродин должен быть синхронным с сигналом: fГ=fС (в преобразователях частоты всегда выполняется неравенство fГ fС). Так как fГ=fС , то такой АД называют синхронным. Принцип работы синхронного АД аналогичен принципу работы преобразователя частоты.

Для выделения на выходе АД полезной составляющей (с нулевой частотой) используют фильтр, состоящий из параллельной RC-цепи (рисунок 3).Составляющая тока i20 создает на резисторе падение напряжения:

Рисунок 3

Из приведенной формулы следует, что АД создает напряжение в соответствии с законом изменения амплитуды входного сигнала. Кроме того, напряжение ЕД зависит от разности фаз Δφ=φГ - φС, т. е. синхронный АД реагирует одновременно на два параметра входного сигнала: UС и φС. Для работы такого АД необходимо, чтобы фаза сигнала равнялась фазе гетеродина: φГ = φС; при этом cos Δφ = 1; напряжение ЕД максимально. Если φС = φГ ± 90°, то cosA Δφ =0; ЕД=0. Следовательно, необходима не только синхронность (fГ=fС), но и синфазность (φГ=φС) напряжения гетеродина с напряжением сигнала. Для реализации синхронности и синфазности гетеродина создается специальная цепь синхронизации (рисунок 3), включающая в себя фильтр для выделения несущего колебания uС, которое подводится к фазовому детектору системы автоматической подстройки частоты гетеродина.

Диодные АД.

Диодный АД, построенный по схеме на рисунке 4, называют последовательным, поскольку нагрузка RН и диод VD включены последовательно. Диодный АД, в котором диод и нагрузка включены параллельно, называют параллельным. Принцип работы диодного АД можно пояснить с временной или со спектральной точки зрения.

Рисунок 4

Временная трактовка принципа работы АД.

Пусть на вход АД поступает гармоническое напряжение с медленно меняющейся амплитудой ивх = UС cos(ωС t) (рисунок 5). Если напряжение ивх положительно (полярность ивх соответствует показанной на рисунке 4), то диод открывается и конденсатор СН начинает заряжаться. Постоянная времени заряда τЗ конденсатора определяется емкостью СН и малым сопротивлением открытого диода. По мере заряда СН выходное напряжение ЕД  растет и стремится закрыть диод. Действительно, согласно рисунку 4, напряжение на диоде uД=uвх - EД и в момент времени t=t1 uвх= EД, при этом uД=0. Начиная с момента времени t1 диод закрывается (uвх<EД) и конденсатор СН, начинает разряжаться через резистор RН. Постоянная времени разряда конденсатора τр = RНCН >> τЗ, поэтому разряд СН происходит значительно медленнее, чём его заряд. Разряд конденсатора СН продолжается до момента времени t= t2, при котором напряжение иД становится равным нулю. Начиная с момента времени t2, диод снова открывается и конденсатор СН начинает заряжаться. В результате серии зарядов и разрядов на выходе АД создается продетектированное напряжение ЕД, имеющее пульсирующую составляющую с частотой сигнала. Учитывая, что время τр в практических схемах АД во много раз больше периода несущей uвх уровень пульсации ЕД мал.

Рисунок 5

Спектральная трактовка принципа работы АД.

На рисунке 6 показан примерный характер изменения тока диода при постоянной амплитуде детектируемого сигнала. При построении рисунка 6 предполагается, что в установившемся режиме напряжение на выходе детектора ЕД практически постоянно во времени. Напряжение на диоде uД=uвх-EД, т.е. напряжение ЕД на выходе АД обуславливает отрицательное напряжение смещения на диоде, относительно которого прикладывается ивх. ВАХ диода iД =f(UД) для простоты рассмотрения представлена линейной с нулевым обратным током. Ток через диод iД протекает при открытом диоде и представляет собой синусоидальные импульсы с углом отсечки θ<90°. В этом токе имеется постоянная составляющая IД0, которая протекает по следующей цепи: диод, резистор нагрузки RH, катушка L, диод VD. Ток IД0 создает на резисторе RН падение напряжения Eд=IД0RН. Составляющие тока диода iД с частотами fC, 2 fC... протекают через диод VD, конденсатор нагрузки СН, LC-контур, диод VD. Если ивх представляет собой AM-колебание, то напряжение ЕД изменяется в соответствии с законом изменения огибающей входного напряжения; при этом по такому же закону изменяется напряжение смещения на диоде.

Рисунок 6

Классификация амплитудных детекторов приведена на рисунке 7.

Рисунок 7

Выводы.

  1.  Спектр напряжения на выходе АД содержит составляющие с частотами, отсутствующими в спектре детектируемого напряжения. Поэтому АД нельзя реализовать с помощью линейной системы с постоянными параметрами.
  2.  Амплитудный детектор можно создать на основе линейной системы с периодически меняющимися параметрами (синхронный детектор) или на основе нелинейной системы.
  3.  Принцип действия синхронного АД аналогичен принципу работы преобразователя частоты. Гетеродин детектора должен быть синхронным (fГ=fС) и синфазным (φГ=φС) с сигналом.
  4.  В диодном АД напряжение на диоде равно разности между входным гармоническим напряжением и продетектированным напряжением; напряжение ЕД на выходе определяет отрицательное напряжение смещения на диоде детектора.
  5.  Появление продетектированного напряжения ЕД на выходе можно объяснить с временной точки зрения как результат зарядки конденсатора СН через открытый диод VD и разрядку через резистор RН, либо со спектральной точки зрения как: результат создания на резисторе RН напряжения ЕД постоянной составляющей тока диода.

 Частотные детекторы

Частотным детектором (ЧД) называют устройство, служащее для получения напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала. На входе детектора действует напряжение изменяющейся частоты uвх=Uвхcos[ωвх(t)t] (рисунок 8а). Если угловая частота сигнала на входе ЧД меняется, например, по закону   ωвх(t)= ωН - Δωmax cost) (рисунок 8б), где ωН - угловая частота несущего колебания, Δωmax - девиация угловой частоты входного сигнала, Ω - угловая модулирующая  частота,  то, согласно    определению,    напряжение ЕД на выходе ЧД должно меняться в соответствии с рисунком 8в.

Частотное детектирование осуществляется в устройствах, соединяющих в себе линейные и безинерционные нелинейные системы. Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ-колебания в линейной системе в колебание с другим видом модуляции, с последующим детектированием преобразованного колебания безынерционной нелинейной цепью. Общая структурная схема ЧД показана на рисунке 9а, амплитудный ограничитель служит для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ-колебания. На рисунке 9б дана характеристика детектирования однотактного ЧД EД=Fвх), которая не заходит в область отрицательных значений ЕД.

Рисунок 9

Преобразовать ЧМ-колебание можно в следующие виды колебаний:

1) в амплитудно-частотно-модулированное (АЧМ) колебание, у которого амплитуда меняется в соответствии с изменением частоты колебания. Это преобразование можно осуществить в линейной цепи с реактивными параметрами, зависящими от частоты. После линейной цепи АЧМ-колебание детектируется АД;

2) в фазочастотное  колебание с последующим фазовым детектированием;

3) в импульсы с переменной скважностью с последующим детектированием импульсным детектором, напряжение на выходе которого пропорционально длительности импульсов.

Структурная схема балансного ЧД показана на рисунке 10a, a его характеристика детектирования на рисунке 10б. Устройство имеет два детектора преобразованного напряжения и цепь вычитания. Преимущества такого ЧД по сравнению с небалансным следующие:

1) характеристика детектирования более линейная, поскольку четные гармоники в балансной цепи компенсируются;

2) характеристика детектирования проходит через нуль, поэтому напряжение ЕД соответствует знаку отклонения звуковой частоты ωвх от несущего значения ωН. Это дает возможность использовать балансные ЧД в цепях автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Выводы

  1.  Частотное детектирование обычно осуществляется в устройствах, соединяющих в себе линейные и безынерционные нелинейные цепи. В ЧД ЧМ-колебание преобразуется в линейной цепи с реактивными параметрами в колебание с другим видом модуляции с последующим соответствующим детектированием преобразованного колебания.
  2.  Частотные детекторы бывают однотактными и балансными. Балансные ЧД имеют более близкую к линейной характеристику детектирования; знак напряжения ЕД следит за знаком изменения частоты сигнала.

Классификация ЧД.

Частотные детекторы (ЧД) преобразуют отклонение частоты входного воздействия fвх относительно некоторой эталонной частоты  f0 в выходное напряжение:

В соответствии с указанным, ЧД классифицируют по величине fД, способу задания f0, и другим параметрам. Классификация ЧД приведена на рисунке 11. По способу задания эталонной частоты все ЧД можно разделить на две группы: 1) с настройкой эталонного фильтра (колебательного контура); 2) с подачей на один из входов ЧД гармонического колебания эталонной частоты. К первой группе ЧД относятся резонансные и апериодические схемы. В резонансных детекторах fД определяется резонансными контурами. Они используются на частотах fД > 5...20 кГц. Апериодические детекторы (дискриминаторы) применяются на низких частотах при 0 < fД < 5...10 кГц. Ко второй группе ЧД относятся дискриминаторы нулевых биений fД = 0. К резонансным ЧД относятся детекторы на расстроенных контурах, с фазовым сравнением, кварцевые, дробные (детектор отношений), резонансные, индуктивные с фазовым автовыбором. К апериодическим ЧД относятся детекторы с RС-цепью, с фазовращающей цепью, с ФНЧ и ФВЧ, мостовые. Близко к группе частотных детекторов (дискриминаторов) примыкают корреляционные.

Рисунок 11

Фазовые детекторы

Фазовым детектором (ФД) называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения. Если на входе ФД действует напряжение uвх= Uвхcost+φ(t)], то продетектированное напряжение ЕД = КФД φ(t). Положим, на входе ФД действует напряжение ивх, показанное на рисунке 12а, тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рисунок 12б. Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180°. При фазовой модуляции (ФМ) фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемой информацией. Так как в спектре напряжения на выходе ФД имеются частотные составляющие, которых не было в спектре напряжения ивх, то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами. Фазовое детектирование нельзя также осуществить с помощью простой безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит только от амплитуды входного напряжения и не зависит от его фазы и частоты. Поэтому ФД можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).

Структурная схема ФД показана на рисунке 12. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение) ωГ = ωС = ω0. Под действием опорного напряжения u0 меняется активный параметр схемы, обычно крутизна S.

Рисунок 12

Схема ФД совпадает также со схемой параметрического АД, поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД равно:

,

где S1 - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;

φ = φС - φ0. В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы.

Вывод

Фазовое детектирование осуществляется с помощью параметрической цепи, в которой источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.

Классификация ФД.

Фазовый детектор (ФД) - это устройство, выходной сигнал которого определяется разностью фаз колебаний, подаваемых на его входы. Мгновенное значение выходного напряжения ФД Uвых ФД = UФДmax F(φ),

где F(φ) - нормированная характеристика ФД; φ - мгновенная разность фаз входных напряжений.

Разнообразные схемы ФД по принципу действия можно разделить на две большие группы: нелинейные векторомерные и параметрические. Классификация ФД приведена на рисунке 13. К векторомерным относятся ФД, в которых выходное напряжение Uвых ФД(t) образуется  сравнением амплитуд векторных суммы и разности колебаний U1(t) и U2(t) с помощью нелинейных элементов и последующего детектирования результирующего сигнала. Детекторы (дискриминаторы) этой группы используют на высоких частотах. Наиболее распространенными дискриминаторами этого типа являются балансные и кольцевые. Балансный ФД с квадратичными амплитудными детекторами эквивалентен перемножителю входных колебаний с последующей фильтрацией высокочастотных составляющих.

К параметрическим относят детекторы, в которых преобразование разности фаз сигналов в выходное напряжение осуществляется при помощи линейных цепей с переменными параметрами. Параметры линейных цепей можно изменять плавно или скачкообразно. Параметрические ФД часто называют коммутационными. В коммутационных ФД одно из колебаний, называемое опорным, периодически изменяет параметры электрических цепей. В качестве коммутатора (ключа) применяют чисто механические прерыватели; электронные или транзисторные схемы. Коммутационные ФД используются обычно на сравнительно низких частотах (до сотен килогерц). В ряде случаев, в том числе когда требуется специальная характеристика ФД, например, в цифровых синтезаторах частоты, используются импульсно-фазовые дискриминаторы.

Цифровые ФД строят на основе перемножителя и цифрового ' ФНЧ, а также по квадратурной схеме, включающей преобразователь Гильберта и косинусно-синусный генератор (КГС).

Рисунок 13


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25473. Сущность, функции и структура социальной работы 16.56 KB
  Сущность функции и структура социальной работы Социальная работа Холостова – это разновидность человеческой деятельности цель которой оптимизировать осуществление субъективной роли людей во всех сферах жизни общества в процессе жизнеобеспечения и деятельности существования личности семьи социальных и др. специалисты стала затем особой профессией получившей название социальной работы. Данная функция ассоциируется с пониманием социальной работы как в узком так и в широком смысле слова; 4.Социальномедицинская функция организация...
25474. Структура социальной работы. Направлении уровни формы и методы социальной работы 13.46 KB
  Направлении уровни формы и методы социальной работы субъект содержание из вытекающих функций средства управление объект цельОбъект и предмет основополагающие категории развития теории социальной работы. Так в словаресправочнике по социальной работе отмечено: Объектом исследования социальной работы является процесс связей взаимодействий способов и средств регуляции поведения социальных групп и личностей в обществе. Представлен в современной России подсистемами социальной защиты дополнительного образования молодежной...
25475. Современные записки 11.08 KB
  И как теперь видно именно литературный отдел Современных записок создал им известность если не сказать славу обеспечил жизнеспособность всему изданию когда в 1940 году после немецкого вторжения во Францию продолжать его выпуск стало невозможно в НьюЙорке с января 1942 года стал выходить Новый Журнал основанный романистом Марком Алдановым и поэтом Михаилом Цетлиным где был сохранён круг авторов Современных записок. Семьдесят номеров Современных записок журнал задумывался как ежемесячник но по многим причинам связанным...
25476. Принципы профессиональной социальной работы. Значение принципов для практик социальной работы 11.37 KB
  принципы профессиональной социальной работы. Значение принципов для практик социальной работы Принцип универсальности исключение дискриминации при оказании социальной помощи по расовым национальным религиозным политическим и иным признакам Принцип охраны социальных прав оказание помощи клиенту не может быть обусловлено требованием к нему отказаться от своих социальных прав или от части из них Принцип социального реагирования осознание необходимости принимать меры по выявленным социальным проблемам действовать в соответствии с...