Модуляторы. Детекторы. Параметрические цепи (16-18 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 10

17.4. Детекторы ФМ-колебаний

              При формировании колебаний с фазовой модуляцией обеспе­чивается изменение мгновенной фазы ψ(t) несущего колебания в соответствии с интенсивностью модулирующего сигнала. В этом случае мгновенная частота ФМ-колебания ω(t) = ω0 + Δω(t) =dψ(t)/dt,

 где Δω(t) — девиация частоты при фазовой модуляции. При этом амплитуда колебания остается постоянной, поэтому для детектирования ФМ-колебаний можно использовать детектор ЧМ-колебаний. На выходе частотного детектора будет формиро­ваться сигнал uвых(t) = Kд Δω(t), где Kд-крутизна проходной характеристики детектора, выраженная в вольтах на единицу круговой частоты [В/рад].

Рис. 17.13. Схема интегрирующего устройства

Для выделения модулирующего сиг­нала из ФМ-колебания на выходе де­тектора ЧМ-колебаний необходимо включить интегрирующее устройство, схема которого показана на рис. 17.13. Комплексная частотная характеристика коэффициента передачи напряжения устройства K(jω) = 1/(1+jωτ), где τ = RC— посто­янная времени интегрирующего устройства; ω — частоты, вклю­чая самые нижние, спектральные составляющие которых должны быть выделены на выходе интегрирующего устройства.

Детекторы ФМ-колебаний можно использовать для детектиро­вания колебаний с медленно изменяющейся фазой сигнала, на­пример, при передаче речи, в устройствах фазовой автоподстрой­ки. В случаях, когда обеспечивается скачкообразное изменение фазы сигнала, следует применять более сложные устройства, к числу которых относятся синхронные детекторы.

17.5. Синхронное детектирование

Под синхронным детектированием понимают такой процесс обработки модулированных колебаний, когда низкочастотная со­ставляющая модулирующего сигнала выделяется путем перемно­жения модулированного колебания и опорного сигнала, частота которого совпадает с несущей частотой модулированного колеба­ния. На рис. 17.14 приведена структурная схема синхронного де­тектора, состоящего из перемножителя модулированного колеба­ния uвх(t) и опорного сигнала uоп(t), а также ФНЧ, выделяющего низкочастотную составляющую сигнала uвых(t).

Синхронное детектирование можно использовать для детектиро­вания АМ-, ЧМ- и ФМ-колебаний. Оно позволяет повысить чувст­вительность и избирательность приема слабых радиосигналов на фоне помех. Такое детектирование позволяет выделить огибающую мо­дулированного колебания без восстановления его полного спектра.

Процесс синхронного детектирования рассмотрим на примере детектирования АМ-колебания uАM(t) =V(t)cos(ω0t). Опорный сигнал имеет вид uоп(t) = cos(ω0t). Перемножение этих сигналов дает следующий результат: uпер(t) = uАM(t)uоп(t) = 0,5V(t) + +0,5V(t)cos(2ω0t).

Высокочастотная составляющая сигнала, изменяющаяся с ча­стотой 2ω0, будет подавлена ФНЧ, а на выходе детектора по­явится только низкочастотная составляющая

0,5 V(t), соответству­ющая огибающей модулированного колебания.

                   Рис. 17.14. Структурная схема           Рис. 17.15. Структурная схема АД

                        синхронного детектора                      в роли синхронного детектора

Для осуществления перемножения сигналов можно использо­вать обычный амплитудный детектор. Структурная схема АД в роли синхронного детектора показана на рис. 17. 15. В таком АД операция умножения выполняется нелинейным резистором, в роли которо­го используется диод (см. рис. 17.1), транзистор (см. рис. 17.4) либо аналоговый перемножитель (см. рис. 17.14). При использовании этих устройств для осуществления синхронного детектирования моду­лированное колебание uвх(t) и опорный сигнал uоп(t) подаются одновременно на вход АД или одновременно на оба входа аналого­вого перемножителя.

Важным моментом при организации синхронного детектирова­ния является формирование опорного сигнала uоп(t). На рис. 17.16 приведена структурная схема одного из возможных устройств, позво­ляющего сформировать опорный сигнал. На входы первого перемно­жителя устройства поступает модулированный сигнал uвх(t)=V(t)cos(ω0t). Этот сигнал умножается сам на себя, в результате чего на выходе перемножителя (1) среди множества спектральных состав­ляющих сигнала появляется спектральная составляющая с часто­той 2ω0, которая выделяется первым узкополосным фильтром ПФ1.

С выхода перестраиваемого генератора сигнал подается на пе­ремножитель (2). В результате этого на выходе узкополосного филь­тра ПФ2 появляется спектральная составляющая с удвоенной ча­стотой 2ωоп колебания перестраиваемого генератора. В фазовом де­текторе сигналы с частотами 2ω0 и 2ωоп сравниваются между со­бой по частоте. Если между этими частотами есть отличие, то с выхода фазового детектора низкочастотное напряжение подается на перестраиваемый генератор, подстраивая его частоту.

При совпадении частот 2ω0 и 2ωоп напряжение на выходе фазового детектора становится равным нулю, а на выходе перестраиваемого генератора появляется опорное напряжение uon(t) = Uoncos(ω0t), изменяющееся с частотой ω0. Это напряжение и может быть ис­пользовано для осуществления синхронного детектирования.

Рис. 17.16. Структурная схема устройства формирования опорного сигнала

В большинстве известных устройств детектирование ФМ-колебаний со скачкообразным изменением фазы основано на пере­множении двух сигналов: ФМ-колебания

uфм(t) = Umsin[ω0t+φ(t)] и опорного напряжения uоп(t) = Uопcos(ω0t). B pоли перемножите­ля сигналов можно использовать полупроводниковый диод. Струк­турная схема перемножителя на основе полупроводникового дио­да показана на рис. 17.17.

               Вольт-амперная характеристика диода VD(cu. рис. 17.17) может быть аппроксимирована полиномом второй степени i= a0+ а1 и +a2u2, где u = u(t) = uфм(t) + uоп(t)  — сумма напряжений на входе детектора. В этом полиноме имеется квадратичный член а2и2, от­носительно которого составляющую тока можно описать следую­щим выражением:

i2(t) = a2{Um sin[ω0t + φ(t)] + Uоп cos(ω0t)}2 =

= a2 Um2 sin2[ω0t + φ(t)] + a2 Uon cos2(ω0t) + a2UmUon sin[ω0t + φ(t)]cos(ω0t).