Что называют детектированием модулированного сигнала

Детектирование модулированных сигналов

Детектированием называется процесс выделения модулирующего (управляющего) сигнала из модулированного высокочастотного сигнала. Детектирование представляет собой процесс обратный процессу модуляции.

Рассмотрим принцип линейного детектирования амплитудно-модулированных колебаний. Как известно, спектр АМ-сигнала содержит составляющую несущего колебания и две боковые полосы: нижнюю и верхнюю. Передаваемая информация содержится в боковых полосах. Поэтому, сущность детектирования состоит в том, чтобы перенести спектральные составляющие одной из боковых полос в область низких частот и выделить ее при помощи соответствующего фильтра низких частот. Для простоты будем полагать, что управляющий сигнал представляет собой гармоническое колебание:

При соблюдении условия зубцы практически отсутствуют и напряжение на выходе воспроизводит форму огибающей входного АМ-сигнала. Зависимость между и в соответствии с (2.26) является линейной и диодный детектор работает в линейном режиме. Что касается напряжения на выходе детектора в этом случае, то оно определяется по формуле:

.

Контрольные вопросы к главе 2

1. Изобразите схему резонансного усилителя.

2. Приведите графики токов и напряжений в резонансном усилителе.

3. Покажите, чем отличается схема преобразователя частоты от схемы резонансного усилителя.

4. Почему нелинейный элемент в составе преобразователя частоты называется смесителем?

5. Как осуществляется процесс амплитудной модуляции?

6. Что понимается под коэффициентом амплитудной модуляции? Как его вычислить?

7. В чем состоит процесс детектирования модулированных сигналов? Покажите это на примере детектирования АМ сигнала.

8. Что собой представляет диодный детектор? Приведите его схему.

9. Как найти коэффициент детектирования?

10. Изобразите график зависимости напряжения на выходе детектора от угла отсечки и сравните его с входным напряжением.

3. Генерирование гармонических колебаний

Источник: Медиченко М.П., Литвинов В.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГОУ, 2011.

Источник

Детектирование модулированных сигналов

Методы детектирования и характеристики детекторов

Детектирование — процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания или сигнала.

Детектирование может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме сигналов.

При когерентном приеме, при детектировании, используются данные о начальной фазе сигнала.

При некогерентном приеме, при детектировании, не используются данные о начальной фазе сигнала.

Детектирование осуществляется в устройствах — детекторах. Условное графическое обозначение детектора имеет вид:

Характеристиками детектора являются: детекторная, частотная характеристики и коэффициент передачи.

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. При АМ информационным параметром является амплитуда, при ЧМ частота, при ФМ фаза.

Идеальная характеристика является линейной проходя через начало координат под углом a к оси абсцисс (рисунок 39). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения Um_u детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Um_u на всех частотах (рисунок 40). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um_u к амплитуде приращения информационного параметра несущей

Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики:

где k — масштабный коэффициент пропорциональности.

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Некогерентный амплитудный детектор на диоде

Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора представлена на рисунке 41. В состав детектора включен нелинейный элемент — диод VD. Необходимость нелинейного элемента вызвана тем, что процесс детектирования связан с трансформацией спектра сигнала. Диаграммы поясняющие принцип работы модулятора представлены на рисунке 42.

На диод поступает АМ сигнал S_АМ(t), в спектре которого имеются составляющая несущего сигнала и боковые составляющие (рисунок 42, а). В спектре отклика диода u_д(t) появляются новые составляющие: постоянная, составляющая модулирующего сигнала и высшие гармоники модулированного сигнала (рисунок 42, б). Элементы R1 C1 образуют фильтр низких частот, который шунтирует высокочастотные составляющие спектра отклика и тем самым выделяют составляющую модулирующего сигнала и постоянную составляющую u_ФНЧ(t) (рисунок 42, в). Разделительный конденсатор C2 задерживает постоянную составляющую спектра и в спектре выходного сигнала присутствует только составляющая модулирующего сигнала u(t) (рисунок 42, г).

Эффективное подавление высокочастотных составляющих фильтром низких частот детектора возможно при выполнении условия

1/?₀С₁ u_д2. Выходное напряжение каждого из однотактных детекторов будет определяться:

где К_д — коэффициент передачи детектора.

Поскольку эти напряжения противоположны, то выходное напряжения балансного детектора определяется:

Детекторная характеристика балансного детектора представлена на рисунке 57.

Детектирование манипулированных сигналов

Детектирование амплитудно-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов может осуществляется рассмотренным выше амплитудным детектором на диоде (рисунок 39).

Детектирование частотно-манипулированных сигналов.

Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов и диаграммы, поясняющие его работу приведены на рисунках 58 и 59.

На вход детектора поступает ЧМн сигнал (рисунок 59, а). Это сигнал поступает на полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2, каждый из ПФ выделяет свою полосу частот (рисунок 59, б, в). Полученные сигналы детектируются амплитудными детекторами АД1 и АД2 (рисунок 59, г, д). Полученные сигналы поступают в вычитающее устройство, причем сигнал u_АД2(t) поступает в негативной полярности. В вычитающем устройстве происходит формирование выходного сигнала (рисунок 59, е):

Детектирование фазо-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов осуществляется при когерентном приеме. Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов представлена на рисунке 60.

На вход полосового фильтра подается входное колебание Z(t). ПФ производит додетекторную обработку сигнала, т. е. ограничивает уровень помех на входе приемника. ФМн сигнал с выхода ПФ поступает в фазовый детектор ФД, на второй вход которого поступает опорное колебание от генератора. Подстройка частоты и фазы опорных колебаний осуществляется системой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ. Частота и фаза опорных колебаний должна совпадать с частотой и фазой одного из сигналов S₁(t) или S₂(t). Сигнал, полученный на выходе ФД поступает в решающее устройство, которое определяет какой сигнал принят u₁ или u₂. Определение сигнала осуществляется путем сравнения амплитуды дискретного элемента поступающего с ФД с нулевым уровнем, который снимается с корпуса: если амплитуда дискретного элемента поступающего с ФД больше нуля, то принят элемент положительной полярности u₂ («1»), если меньше нуля, то принят элемент отрицательной полярности u₁ («0»).

Основным недостатком данной схемы и соответственно системы с ФМн является необходимость передачи вместе с информационным сигналом сигнала фазовой синхронизации, что приводит к дополнительным затратам мощности и, соответственно, снижению эффективности ФМн. Необходимость передачи сигналов синхронизации связана с тем, что фаза колебаний опорного генератора должна с высокой точностью совпадать с фазой одного из сигналов S₁ или S₂. Использование для целей фазовой синхронизации входного сигнала Z(t) приводит к эффекту обратной работы. Обратная работа заключается в замене, пи детектировании, сигнала u₁ сигналом u₂ и наоборот. Обратная работа возникает тогда, когда фаза опорных колебаний генератора меняется на противоположную. Это возникает из-за того, что при равновероятных сигнала S₁ и S₂, отличающихся друг от друга по фазе на 180°, на приеме нет ни каких признаков по которым можно определить, фаза какого сигнала была принята в качестве опорного. Генератор, подстраиваемый системой ФАПЧ, может генерировать колебания с двумя устойчивыми состояниями фазы 0 или 180°. В канале связи под воздействием помех фаза сигнала используемого для синхронизации изменяется. Если она не соответствует 0 или 180°, то генератор подстраивается под ближайшую фазу, т. е. если фаза изменяется менее чем на 90°, то генератор будет подстраиваться под верную фазу сигнала (обратная работа отсутствует), если более чем на 90°, то генератор подстраивается под противоположную фазу и возникает обратная работа. Из вышесказанного можно сделать вывод, что источником обратной работы в приемнике является генератор с ФАПЧ.

Детектирование относительно-фазо-модулированных сигналов.

Детектирование ОФМн сигналов может осуществляться двумя методами: методом сравнения фаз (обеспечивает некогерентный прием) и метод сравнения полярностей (обеспечивает когерентный прием).

При методе сравнения фаз источники обратной работы генератор и ФАПЧ заменяются линией задержки, которая осуществляет задержку сигнала на длительность одного дискретного элемента (рисунок 61). В фазовом детекторе осуществляется сравнение фаз принятого сигнала и предыдущего. Формирование выходного сигнала РУ осуществляется также как и в приемнике ФМн сигналов. Поскольку в данной схеме в качестве опорного колебания используется принятый сигнал, то появление обратной работы исключено.

При методе сравнения полярностей приемник состоит из двух частей: приемника ФМн сигналов и относительного декодера (рисунок 62). При детектировании сигналов в приемнике ФМн сигналов возникает обратная работа. Сигнал с выхода приемника поступает в сравнивающее устройство СУ относительного декодера. На второй вход СУ поступает предыдущий выходной сигнал приемника. Задержку сигнала на один дискретный элемент осуществляет линия задержки. В СУ происходит сравнение полярностей двух элементов и формируется выходной сигнал. Формирование дискретного элемента выходного сигнала осуществляется по правилу: если полярности обоих сигналов совпадают, то формируется сигнал положительной полярности u₂ («1»), если полярности не совпадают, то сигнал отрицательной полярности u₁ («0»). Так как обратная работа изменяет полярность как текущей, так и предыдущей посылок, то она на работе СУ не сказывается.

Детектирование импульсно-модулированных сигналов

Особенностью ИМ сигналов является наличие в их спектре низкочастотных составляющих модулирующего сигнала. Поэтому для детектирования данных сигналов нелинейный элемент не используется. Детектирование осуществляется фильтром, с помощью которого выделяются составляющие модулирующего сигнала. Для этого граничные частоты фильтра должны быть равны наименьшей Fmin и наибольшей Fmax частоте спектра модулирующего сигнала. Детектирование первичных (низкочастотных) сигналов осуществляется ФНЧ.

А) Детектирование АИМ сигналов. Если скважность импульсов АИМ сигнала велика q>>1, то детектирование осуществляется пиковым детектором.

Пиковым детектором — называется амплитудный детектор, выходное напряжение которого пропорционально амплитуде импульсов и сохраняется приблизительно постоянным на интервале периода следования импульсов Т.

В спектре ФИМ сигналов уровень составляющих частоты модуляции незначителен, а также он зависит от частоты модуляции. Поэтому непосредственно ФИМ сигналы детектировать ФНЧ нельзя. Предварительно эти сигналы преобразуются в ШИМ или ЧИМ сигналы, а затем детектируются ФНЧ. Однако, для преобразования ФИМ сигнала необходимо вместе с ним передавать синхронизирующие тактовые импульсы, а это усложняет схему детектора.

Для увеличения помехоустойчивости в приемнике принятые импульсно модулированные сигналы подвергают регенерации.

Регенерация — процесс восстановление формы импульсов.

На рисунке 63 представлены временные диаграммы, поясняющие регенерацию импульсно модулированного сигнала. На рисунке 63, а представлен передаваемый импульсно-модулированный сигнал Sм_пер(t). На рисунке 63, б представлен принятый сигнал Z_пр(t). Форма этого сигнала искажена вследствие воздействия флуктуационных и импульсных помех в канале связи. Регенерация осуществляется путем ограничения амплитуды импульсов по максимуму и минимуму на уровне близком к половине пикового значения импульсов (рисунок 63, в). При регенерации возможно искажение принятого сигнала вызванное большой амплитудой импульсной помехи, однако, большая часть помех подавляется.

Поскольку при регенерации осуществляется ограничение амплитуды импульсов, то регенерации не могут подвергаться АИМ сигналы, т. к. амплитуда этих сигналов является информационным параметром.

Источник

Детектирование частотно – модулированных сигналов

Детектированиепредставляет собой процесс выделения низкочастотных полезных сигналов из АМ или ЧМ колебаний. Устройства для детектирования называют детектором (от лат. detector – обнаружитель) или демодулятором.

Сглаживающийфильтр уменьшает величину пульсаций выпрямленного напряжения и преобразует его в постоянное напряжение. Обычно величина постоянного напряжения изменяется от изменения сопротивления нагрузки, что нежелательно, поэтому к выпрямителю подключают стабилизаторы напряжения.

Выпрямление переменного напряжения можно осуществить с помощью одного диода, тогда такое выпрямление будет однополупериодным, т.к. отрицательную полу-волну синусоидального тока диод не пропускает через сопротивление нагрузки R_Н.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения U_в равна частоте напряжения сети (50Гц).

Достоинством схемы является простота устройства (требуется всего один диод) и высокая надежность (минимум элементов). Недостатком является неэффективность преобразования, так как выпрямленное напряжение снижается до нуля в течение всего отрицательного полупериода.

Применяется схема в маломощных малогабаритных сетевых источниках питания.

Наибольшее распространение имеет схема двухполупериодного выпрямителя, которая выполняется на четырех диодах VД1,VД2, VД3,VД4.

Выпрямленное напряжение U_В также пульсирующие, но частота пульсаций возрастает вдвое, а ток через сопротивление нагрузки протекает теперь в каждый из полупериодов, и эффективность преобразования вдвое выше. Сглаживание пульсаций упрощается, так как выпрямленное напряжение U_В снижается до нуля только на одно мгновение.

Приведенную схему называют мостовой схемой выпрямителя. Диагональ а-в называют диагональю питания, а диагональ с-d – диагональю нагрузки.

8.2. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры преобразуют пульсирующее напряжение (или ток) на выходе выпрямителя в постоянное напряжение (или ток).

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной, состоящий из конденсатора большой емкости, подключаемой параллельно сопротивлению нагрузки. Процесс сглаживания происходит за счет накопления энергии конденсатором фильтра и медленной разрядкой его через сопротивление нагрузки.

Во время действия импульса U_В напряжение на конденсаторе растете по экспоненте «m-n», а во время спада импульса конденсатор разряжается и отдает энергию в нагрузку, в результате чего напряжение на нем падает (кривая «n-k»). Во время следующего импульса картина повторяется. Так как конденсатор имеет большую емкость, то за время полупериода он успевает разрядиться полностью, и напряжение на нем, а следовательно и нагрузке остается постоянным с некоторыми небольшими колебаниями, которые называют остаточными пульсациями или просто «пульсациями выпрямленного напряжения».

Эффективность работы фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

, (8.1)

где К_{П ВЫХ} и К_{П ВХ} – коэффициенты пульсаций на выходе и входе фильтра, которые определяют по зависимостям

, (8.2)

, (8.3)

где U_вм – амплитуда пульсирующего напряжения;

U₀ – средневыпрямленное напряжение;

U_выхт – амплитуда напряжения на нагрузке;

U_вых0 – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке.

Емкостный фильтр эффективен при малых токах нагрузки, т.е. когда R_Н велико.

Условием выбора емкости конденсатора является соотношение

, Ом, (8.4)

где ω=2πf, f – частота пульсаций, Гц;

С – емкость конденсатора, Ф (фарад).

Применяют емкостные фильтры в маломощных источниках питания при токах нагрузки до 0,5 А.

Индуктивный фильтр. Этот фильтр представляет собой катушку индуктивности, включенную последовательно с нагрузкой (рис.8.5, а).

Рис. 8.5. Схемы индуктивного (а) и г-образного (б) сглаживающих фильтров.

Катушку индуктивности L с сердечником называют дросселем.Его индуктивное сопротивление должен быть значительно (примерно на порядок) больше сопротивления нагрузки R_н, т.е.

где ω=2πf – частота пульсаций;

L – индуктивность, Гн.

При большом X_L большая часть пульсаций будет падать на дросселе, а на сопротивлении нагрузки напряжение будет постоянным.

Индуктивные фильтры применяют в источниках питания большой мощности (до нескольких киловатт). Недостатки фильтра – большие габариты и масса дросселя, а также э.д.с. самоиндукции, которая может превысить допустимое обратное напряжение на выпрямительных диодах и вывести их из строя.

Г-образный фильтр. Такой фильтр отличается большей эффективностью, чем индуктивный, что позволяет уменьшить габариты и стоимость дросселя в индуктивном фильтре. Г – образный фильтр состоит из дросселя L и конденсатора С_Ф (рис. 8.5, б).

Параметры дросселя и конденсатора подбирают так, чтобы

X_L >> R_H

Применяется в выпрямителях средней мощности (до 1 кВт).

П – образные фильтры.Такие фильтры получают путем последовательного соединения емкостного фильтра с Г – образным. Эффективность П – образных фильтров на порядок выше, чем емкостного или индуктивного фильтра. Распространение получили П – образные LC – фильтры в источниках питания большой и средней мощности (рис. 8.6, а).

Рис. 8.6. Схема П – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтра (б).

В источниках питания малой мощности дроссель L заменяют резистором Rф, так он меньше по габаритам и дешевле. При больших токах нагрузки П – образный RC – фильтр (рис.8.6, б) неэффективен, так как на резисторе Rф получается большое падение напряжения и рассеивается большая мощность.

При повышенных требованиях к снижению уровня пульсаций выпрямленного напряжения применяют многозвенные сглаживающие фильтры, состоящие из 2-х …..3-х Г- образных фильтров.

8.3. Детектирование радиосигналов

Детектирование АМ – колебаний.При детектировании АМ- колебаний необходимо их так преобразовать, чтобы на выходе детектора получился сигнал сообщений без заметных искажений. Основными параметрами детектора являются коэффициента передачи напряжения К и коэффициент нелинейных искажений, которые определяются выражениями

, (8.8)

,(8.9)

где U_Ω – амплитуда напряжения низкой частоты на выходе детектора;

mU_m – максимальное изменение амплитуды несущих колебаний;

m – коэффициент модуляции.

В схемах детекторов обычно используют полупроводниковые диоды, соединенные с фильтром нижних частот, представляющего собой RC – цепочку из параллельно соединенных резистора R и конденсатора С (рис.8.7.).

Рис. 8.7. Схема детектора АМ – колебаний.

Ω_max – максимальная частота полезного сигнала.

Вольт – амперная характеристика диода при слабых сигналах U_АМ аппроксимируется квадратичным полиномом вида

где u – напряжение на диоде;

i – ток прямой ветви;

J_AO – постоянная составляющая тока;

а и в – постоянные коэффициенты.

При действии АМ – сигнала вида

где Ω – частота полезного сигнала,

ω₀ – частота несущей,

U₀ – амплитуда несущей,

Ток через диод будет иметь вид

. (8.13)

Первое слагаемое в (8.13) – это сигнал сообщения, а второе – это спектральная составляющая высокой частоты, которая вносит нелинейные искажения в полезный сигнал. Для получения сигнала низкой частоты RC – фильтр должен иметь определенное сопротивление для радиочастоты и сигнала низкой частоты: для радиочастот оно должно быть близко к нулю, что выполняется при условии

ω₀СR >>1, или >>R (8.14)

Для звуковых частот сопротивление фильтра должно быть близко к R, что выполняется при

> R.

Таким образом параметры фильтра должны удовлетворять условию

Значения J= и определяются выражениями

J₌=, (8.22)

, (8.23)

тогда (8.24)

При большом сопротивлении нагрузки R_H>>R, полезный сигнал U_R имеет максимальное значение, пропорционален амплитуде несущих колебаний U₀ и не содержит высших гармоник частоты Ω.

Пропорциональность полезного сигнала U_Ω амплитуде U₀ свидетельствует о линейности преобразования.

Как говорилось выше, в частотно – модулированном радиосигнале сигнал сообщения изменяется частоту несущей на величину, пропорциональную величине сигнала сообщений.

Для детектирования ЧМ – колебаний используют два класса детекторов:

один класс работает по принципу преобразования с ЧМ- колебаний в АМ- колебания и последующем детектированием их детекторами АМ – колебаний;

второй класс детекторов (их называют «дискриминатор», «детектор отношений») использует зависимость разности фаз между током и напряжением в колебательном контуре от частоты несущих колебаний.

Детекторы первого класса наиболее просты по устройству и находят преимущественное применение.

Источник