3.8. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Детектирование представляет собой процесс, обратный модуляции. При модуляции один из параметров высокочастотного переносчика изменяется пропорционально первичному сигналу. Детектирование заключается в восстановлении того первичного сигнала, которым производилась модуляция. Детектирование считается неискаженным, если напряжение на выходе детектора повторяет закон изменения параметра модулированного колебания (амплитуды в случае AM, частоты в случае ЧМ, фазы в случае ФМ).

Поскольку в спектре модулированного колебания содержатся только высокочастотные компоненты (несущая и боковые частоты), а результатом детектирования является получение низкочастотных колебаний, линейные цепи для детектирования непригодны. В большинстве случаев детекторы являются устройствами нелинейными, реже — параметрическими.

На рис. 3.41 приведена обобщенная схема детектора, состоящая из двух элементов: а) нелинейного (НП) или параметрического (ПП) преобразователя, в выходном токе которого при воздействии на вход гармонического напряжения появляется постоянная составляющая фильтра нижних частот предотвращающего прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Рис. 3.41

Требование к преобразователям: величина должна зависеть в детекторе AM сигналов от в детекторе ЧМ сигналов от , в детекторе ФМ сигналов от

При подаче на вход модулированного колебания, один из параметров которого меняется с низкой частотой, постоянная составляющая тока на выходе соответствующего детектора также будет изменяться с низкой частотой, и это колебание после ФНЧ выделится на выходе детектора. Для неискаженного детектирования необходимо, чтобы компонента тока изменялась пропорционально модулируемому параметру или ). В связи

с этим важнейшими характеристиками детекторов являются характеристики детектирования, под которыми подразумеваются зависимости от в амплитудных, от в частотных и от в фазовых детекторах.

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ AM КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ

На рис. показано графическое определение тока, протекающего через диод при воздействии на него AM напряжения

Поскольку диод обладает односторонней проводимостью, ток имеет характер импульсов длительностью в половину периода частоты амплитуда которых изменяется при изменении огибающей входного напряжения. В получившейся последовательности импульсов тока содержится уже и низкочастотная составляющая частоты .

Рис. 3.42

Действительно, импульсы тока различаются главным образом амплитудой Зависимость можно рассматривать как результат модуляции импульсов тока, записанных в виде ряда Фурье колебанием низкой частоты

Таким образом, ток содержит постоянную составляющую и компоненты высокой частоты и ее гармоник, каждая из которых модулирована низкочастотным сигналом.

На рис. 3.42в штрихпунктирная линия изображает зависимость постоянной составляющей тока от времени определяемой как среднее значение тока за период высокой частоты :

Для выделения низкочастотного сигнала последовательно с нелинейным элементом включают такую цепь RC (рис. 3.43), чтобы

Здесь емкость С выполняет роль ФНЧ: в силу (3.90) высокочастотные компоненты тока напряжения на выходе почти не создают. Для того чтобы низкочастотные компоненты тока создавали большое выходное напряжение, сопротивление должно быть достаточно большим и притом с тем, чтобы для низких частот сопротивление нагрузочной цепи Объединяя эти неравенства, получаем условия, определяющие выбор емкости С:

График рис. 3.42 г показывает форму выходного напряжения.

На рис. 3.44 а и б представлены спектры напряжения (3.87) и тока (3.88). Пунктирная линия на рис. 3.446 изображает зависимость при условии (3.91). Перемножая амплитуды спектральных компонент на соответствующие величины получаем спектр выходного напряжения (рис. 3.44в).

Переходя к более подробному рассмотрению процесса детектирования, отметим, что сопротивление нагрузки обычно выбирается настолько большим, что учет его влияния на ток оказывается необходимым.

Рис. 3.43

Рис. 3.44

Пусть на детектор в схеме рис. 3.43 действует синусоидальное напряжение частоты

Напряжение на диоде Вследствие наличия цепочки RC, оно отличается от напряжения (3.92) на величину постоянного смещения На рис. 3.45 показано определение

тока с учетом влияния для кусочно-линейной аппроксимации характеристики диода. При больших диод работает с небольшими углами отсечки 0, т. е. ток через диод протекает только в течение небольшой части периода, соответствующей заштрихованной части входного сигнала. Так как сопротивление открытого диода мало, в это время происходит быстрый заряд конденсатора С, сопровождающийся возрастанием напряжения на нем.

Рис. 3.45

Рис. 3.46

Когда оказывается меньшим диод запирается, - входное напряжение перестает влиять на процессы в RC-цепи, конденсатор С разряжается через большое сопротивление Согласно (3.90) постоянная времени разряда или траз Поэтому за ту часть периода Т, пока конденсатор разряжается, напряжение уменьшается незначительно. Характер изменения по времени и тока протекающего через диод, показан на рис. 3.46. Пренебрегая пульсацией напряжения будем в дальнейшем считать его при воздействии сигнала (3.92) постоянным и равным (штрих-пунктирная на рис. 3.46) Это позволяет записать напряжение на диоде как Определим угол отсечки 0 как значение при котором

Согласно (3.31) при кусочно-линейной характеристике диода

(рис. 3.45) . Подставляя это выражение в (3.93), получаем уравнение, определяющее 0:

Амплитуда в (3.94) не входит. Следовательно, угол отсечки 0 не зависит от амплитуды входного сигнала, а определяется исключительно параметрами схемы Поэтому согласно данный детектор обладает линейной характеристикой детектирования, и детектирование в нем происходит без искажений. Детектор с линейной характеристикой детектирования называется линейным детектором. Диодный детектор является линейным в случае достаточно больших амплитуд входного сигнала, когда пригодна кусочно-линейная аппроксимация его характери-, стики. При этом следует помнить, что линейный детектор является устройством нелинейным, работающим с отсечкой тока.

Коэффициент передачи линейного диодного детектора, определяемый как совпадает с правой частью (3.93). Следовательно,

Для малых амплитуд входного сигнала характеристику диода аппроксимируем полиномом второй степени

Полагаем малым. Тогда и согласно (3.95) и Зависимость постоянной составляющей тока от амплитуды

является характеристикой детектирования. Она имеет квадратичный характер, и потому диодный детектор, колебаний малой амплитуды называется квадратичным детектором.

Амплитудно-модулированное колебание можно рассматривать как почти гармоническое с медленно меняющейся амплитудой

Из-за нелинейности характеристики детектирования изменение амплитуды входного сигнала вызывает непропорциональное изменение постоянной составляющей тока детектора, поэтому низкочастотные колебания на выходе детектора искажаются по сравнению с огибающей AM колебания. Подставляя (3.97) в (3.96), получаем

В спектре тока, а значит, и выходного напряжения детектора имеются две низкочастотные составляющие: частоты передаваемого сигнала с амплитудой и ее второй гармоники с

амплитудой Искажения при квадратичном детектировании можно характеризовать коэффициентом гармоник

величина которого пропорциональна Наличие сильных искажений (при является недостатком квадратичного детектора. Однако в одном важном случае — квадратичного детектирования радиоимпульсов с прямоугольной огибающей (см. рис. В.2г) - искажения не возникают: ток также имеет прямоугольную форму, его величина определяется по (3.96).

Диодные детекторы обычно бывают квадратичными при амплитудах входных сигналов и линейными при Чтобы избежать искажений, следует принимаемый AM сигнал усилить до детектора настолько, чтобы его амплитуда была достаточно большой.