Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

8. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ

СИГНАЛОВ

8.1. Общие замечания

Детектирование АМС  представляет собой задачу, обратную модуляции, т. е. это восстановление того управляющего (видео) сигнала, которым производилась модуляция. На выходе детектора надо получить сигнал , повторяющий огибающую модулированного сигнала .  С точки зрения спектров  задача АМС заключается в перенесении спектра сигнала из области ВЧ в область НЧ с последующим его выделением путем фильтрации ФНЧ. Сказанное иллюстрируется на рис. 8.1 для случая однотонального модулированного колебания.

Рис. 8.1

На рис. 8.2 приведена структурная схема детектора. Он состоит из двух элементов: нелинейного (НЭ) или параметрического (ПЭ) и фильтра нижних частот (ФНЧ). Последний предназначен для выделения НЧ сигнала и подавления на выходе высокочастотных составляющих. На выходе нелинейного элемента могут появиться гармоники НЧ колебания … Они обуславливают нелинейные искажения. От них не6льзя избавиться с помощью ФНЧ, т.к. частота модулирующего колебания может изменяться в широких пределах. Поэтому задача уменьшения или исключения нелинейных искажений должна решаться выбором соответствующего НЭ и режима его работы.

Рис. 8.2

Качество детектирования  определяется по детекторной характеристике. Она, как и характеристика других видов преобразований, связывает величину полезного сигнала на выходе с определяющим параметром сигнала на входе. В данном случае полезный сигнал на выходе – ток детектирования  (детекторного эффекта), а определяющий параметр входного сигнала – амплитуда ВЧ .Ток детектирования  определяется как разность токов постоянной составляющей  и в рабочей точке  при отсутствии входного сигнала.

Итак, детекторная характеристика выражается зависимостью

.

Если эта характеристика линейна, то детектирование будет без нелинейных искажений.

8.2. Детектирование с использованием управляемого НЭ

Схема детектора  на полевом транзисторе показана на рис. 8.3. На управляющий вход НЭ подаются смещение и АМС

.                                 (8.1)

Рис. 8.3

Детектирование «слабых» сигналов. «Квадратичное» детектирование

Для «слабого» сигнала (амплитуда  мала) вольтамперную характеристику (ВАХ) нелинейного элемента (НЭ) можно аппроксимировать полиномом второй степени

               ,                                              (8.2)

Спектр тока вычисляют подстановкой (8.1) в (8.2). ФНЧ выделяет из этого спектра НЧ часть. Её можно рассматривать как медленно меняющуюся (по сравнению с АМС) постоянную составляющую .

  .                              (8.3)

Ток детекторного эффекта обусловлен изменением амплитуды ВЧ колебаний

,                                   (8.4)

где  – ток покоя в рабочей точке (, ).

Детекторная характеристика – зависимость тока детекторного эффекта от амплитуды ВЧ немодулированного колебания.

, , .                                        (8.5)

Из (8.4) следует, что для «слабого» сигнала

                                                     (8.6)

детекторная характеристика – квадратичная функция амплитуды (линия 1 на рис. 8.4). Такое детектирование называется квадратичным. Оно приводит к существенным нелинейным искажениям восстановленного модулирующего сигнала. В частности, при однотональной огибающей АМК

                                        (8.7)

получим

.

Коэффициент нелинейных искажений (гармоник)

.                                            (8.8)

При ,  (25 %), что очень много.

Детектирование «сильных» сигналов. «Линейное» детектирование

При детектировании «сильного» сигнала (амплитуда  велика) ВАХ НЭ аппроксимируется кусочно-линейной зависимостью (рис. 8.5)  и ток детекторного эффекта

.                                     (8.9)

Если , то угол отсечки  будет зависеть от амплитуды колебаний

.

Поэтому выражение (8.9) будет описывать нелинейную зависимость .

При  ( независимо от амплитуды колабаний) имеем.

.                                                    (8.10)

Следовательно, детекторная характеристика линейна (линия 2 на  рис. 8.4).

Таким образом, при детектировании «сильного» сигнала имеет место «линейное» детектирование, т. е. детектирование без нелинейных искажений выделяемого НЧ сигнала. При этом НП работает в нелинейном режиме с отсечкой ().

          Линейные искажения

Напряжение на выходе детектора рассчитывается по формуле

.

В частном случае, при линейном детектировании, однотональном АМК на входе (8.7) на выходе ФНЧ (RC-цепи) получим

  ,                                        (8.11)

где ,   ,   ,   .

Из (8.11) следует, что амплитуда выходного напряжения детектора зависит от соотношения частот  и , а фаза запаздывает на угол  относительно фазы огибающей входного АМК. В этом проявляются линейные искажения, вносимые в работу детектора линейным преобразователем (ФНЧ). Их можно уменьшить, расширив полосу пропускания ФНЧ. Однако при этом должны выполняться условия

 или .                      (8.12)

Эти условия позволяют сформулировать требования для выбора параметров ФНЧ (, ):  должно обеспечить требуемый уровень напряжения управляющего сигнала, а  – фильтрацию ВЧ составляющих