ДЕТЕКТУВАННЯ РАДІОСИГНАЛІВ

Лабораторна робота № 2

Дослідження характеристик детектора АМ − коливань

ДЕТЕКТУВАННЯ РАДІОСИГНАЛІВ

Для передачі інформації використовують радіосигнали переважно з амплітудною (АМ), частотною (ЧМ) або фазовою (ФМ) модуляціями. При цьому сама інформація міститься в модулюючому сигналі. Виділення переданої по радіоканалу інформації забезпечується шляхом детектування радіосигналу. Детектування − процес виділення модулюючого сигналу з радіосигналу, модульованого тим чи іншим способом. У залежності від виду модуляції радіосигналу відповідно розрізняють і детектори, а саме:

− детектори амплітудно-модульованих коливань;

− детектори частотно-модульованих коливань;

− детектори фазо-модульованих коливань.

Детекторні можуть розрізнятися і за такими ознаками:

− способом реалізації (аналогові, цифрові);

− типом активного елемента (діодні, транзисторні, лампові);

− за схемотехнічним рішенням (односкатні, двотактні, кільцеві);

− діапазоном частот носійних коливань детектованого сигналу (СЧ, ВЧ, ДВЧ, УВЧ);

− за різновидом елементної бази (зосереджені чи розподілені параметри).

Амплітудним детектором називають детектор, вихідний сигнал якого змінюється за законом зміни амплітуди вхідного сигналу. Детектування сигналу із змінною амплітудою здійснюється за допомогою нелінійних елементів. При амплітудному детектуванні фактично відбувається вимірювання амплітуди вхідного сигналу. Для виділення низькочастотного модулюючого сигналу використовується фільтр нижніх частот, АЧХ якого узгоджується з частотним спектром корисного сигналу.

Фазовим детектором називають детектор, вихідний сигнал якого змінюється за законом зміни фази вхідного радіосигналу. Детектування ФМ-радіосигналу змінюється шляхом виконання операції скалярного множення сигналів. Один із сигналів детектований, а інший (опорний) має фіксовану амплітуду U_m0, частоту f₀, що дорівнює частоті детектованого сигналу f_c, а також регульовану початкову фазу φ. Вихідний сигнал фазового детектора залежить від різниці фаз корисного й опорного сигналів і виділяється на навантаженні за допомогою фільтра нижніх частот.

Частотним детектором називають детектор, вихідний сигнал якого змінюється за законом зміни частоти вхідного радіосигналу. Для детектування ЧМ-радіосигналів використовують реактивні кола, за допомогою яких радіосигнал перетворюють у сигнали з комбінованими ЧМ-АМ або ЧМ-ФМ модуляціями з наступними амплітудним або фазовим детектуванням.

Амплітудні детектори використовують як самостійні функціонально незалежні вузли, так і у складі частотних і фазових детекторів. При амплітудному детектуванні радіосигналів у виділений модулюючий сигнал вносяться спотворення, які поділяються на лінійні та нелінійні. Лінійні спотворення зумовлені наявністю елементів із реактивним характером опору. Нелінійні спотворення зумовлені нелінійністю характеристик детектуючих елементів. Лінійні спотворення поділяються на амплітудно-частотні та фазочастотні.

Амплітудно-частотні спотворення, що виникають при амплітудному детектуванні радіосигналу і зумовлюють залежності величини коефіцієнта передачі детектора від частоти модулюючого сигналу

,

де − частота модулюючого сигналу.

Під коефіцієнтом передачі детектора розуміють відношення амплітуди вихідного сигналу до амплітуди несучих коливань

,

де U_Ω – амплітуда вхідного сигналу;

m – коефіцієнт модуляції;

U_m0 – амплітуда носійних коливань.

Фазочастотні спотворення зумовлені порушенням пропорційності залежності величини зсуву фази вихідного сигналу детектора відносно фази модулюючого вхідного сигналу від частоти модуляції

.

Важливим параметром амплітудного детектора є його вхідний опір. Оскільки джерело детектованого сигналу (радіосигналу) має резонансний характер, то вплив вхідного опору амплітудного детектора на це джерело сигналу, як правило, оцінюють на першій гармоніці. Наявність у вхідного опору детектора реактивної (ємнісної) складової приводить до зміни параметрів резонансних кіл джерела сигналу. Як правило, цей вплив компенсують відповідними змінами резонансних кіл джерела сигналу.

У випадку супергетеродинного приймача джерелом сигналу, який подається на амплітудний детектор, є останній каскад підсилювача проміжної частоти (ППЧ).

Амплітудне детектування можливе лише в тому випадку, коли вольт-амперна характеристика (ВАХ) детектуючого елемента є парною функцією напруги, отже, струм може визначатися за наступними формулами:

I ~ .

Найчастіше як детектуючий елемент використовують лампові, напівпровідникові діоди та транзистори.

ВАХ напівпровідникового діода в спрощеному випадку має такий вигляд (рис.2.1) можна зобразити як сукупність двох ВАХ. В аналітичному вигляді ці ВАХ будуть такими: I= 1/2 ×K |U| та I= 1/2 ×K U. Графічно вказані ВАХ зображено на рис.2.2 а та б. Перша ВАХ відображае парну частину ВАХ діода, а друга − непарну частину. Слід зазначити, що детектування сигналу відбувається завдяки наявності першої, тобто парної частини ВАХ діода.

Рис. 2.1. Спрощена ВАХ напівпровідникового діода

а) б)

Рис. 2.2. Складові ВАХ напівпровідникового діода

У загальному випадку довільну ВАХ можна зобразити як суму парної та непарної частин

Якщо додати одне рівняння до іншого, то отримаємо:

.

Якщо від першого рівняння відняти друге, то отримаємо:

.

Процес детектування супроводжується зміною спектрального складу сигналу. У випадку однотональної амплітудної модуляції осцилограма та спектр вхідного сигналу матимуть вигляд Рис. 2.3.

В аналітичному вигляді амплітудно-модульований сигнал матиме вигляд:

Якщо модуляція несучих коливань здійснюється модулюючим сигналом, що містить гармонійні складові, то ми отримуємо нижню й верхню, відносно частоти несучих коливань, бічні смуги.

а) б)

Рис. 2.3 Осцилограма та спектр радіосигналу модульованого за амплітудою однотональним сигналом частоти Ω

У результаті детектування на виході детектора ми отримаємо модулюючий сигнал, осцилограма та спектр якого матимуть вигляд рис. 2.4.

а) б)

Рис. 2.4. Осцилограма та спектр вихідного сигналу детектора

В аналітичному вигляді вихідний сигнал може бути описаний такою залежністю:

.

Детектування амплітудно-модульованих сигналів можна здійснювати за допомогою синхронного детектора (СД), тобто електричного пристрою, який має дві пари вхідних і одну пару вихідних клем. На вхідні клеми подаються детектований та опорний сигнали (Рис. 2.5).

Рис.2.5. Синхронний детектор

Під дією опорного сигналу змінюється величина провідності між вхідними й вихідними клемами. Технічна реалізація СД передбачає використання електронних або механічних ключів, стан яких змінюється під дією опорного сигналу.

У найпростішому випадку опорний сигнал має вигляд прямокутних імпульсів (Рис. 2.6.).

Вважатимемо, що високому рівню опорного сигналу відповідатиме висока провідність між вхідними та вихідними клемами детектора. Отже за умови рівності (з точністю до фази) частот опорного та детектованого сигналів (f_оп=f_вх ) на виході ми отримаємо лише додатні півхвилі вхідного детектованого сигналу. Зміна фази коливання вхідного або опорного сигналів на протилежну приведе до зміни полярності півхвиль вихідного сигналу (пунктирна лінія). Отже, синхронний детектор є фазочутливим.

У більш загальному випадку процес синхронного детектування, з точки зору математичних перетворень, є процесом множення вхідного та опорного сигналів. Природно, що в цьому випадку величина провідності між вхідними та вихідними клемами змінюється строго за законом зміни напруги (струму) опорного сигналу. Розглянемо випадок синхронного детектування радіосигналу амплітудно-модульованого однотональним сигналом частоти Ω

.

Вважатимемо, що опорний сигнал строго гармонійний:

Результатом синхронного детектування є результат множення вказаних сигналів, отже, на виході синхронного детектора (СД) отримаємо

де – .

Рис.2.6. Осцилограми вхідної, опорної та вихідної напруг СД

Очікуваним результатом на виході СД є сигнал, частота якого дорівнює частоті модулюючого сигналу, отже, за допомогою фільтра необхідно виділити сигнал, частота якого дорівнює частоті модулюючого. На виході такого фільтра отримаємо

,

де K_ф – коефіцієнт передачі фільтра.

Найширшого застосування у схемах амплітудних детекторів набули напівпровідникові діоди, забезпечують можливість роботи детекторів у широкому діапазоні частот. У залежності від способу ввімкнення напівпровідникового діода відносно навантаження розрізняють такі різновиди амплітудних детекторів (Рис. 2.7): послідовний, паралельний.

Існують певні вимоги до величини постійної часу τ= RC ланки навантаження детектора:

.

Дану нерівність можна записати так:

а) б)

Рис. 2.7. Принципові електричні схеми амплітудних детекторів:

а) послідовного, б) паралельного.

Постійна часу обирається такою, щоб RC-ланка була інтегруючою для сигналу частоти несучих коливань. Водночас постійна часу RC-ланки повинна бути менша за період модулюючих коливань. Дотримання вказаної величини постійної часу забезпечує можливість найбільш точного відтворення-форми модулюючого сигналу.

Перевагою паралельного амплітудного детектора (Рис. 2.7,б) є забезпечення гальванічної розв’язки джерела детектованого радіосигналу від навантаження. Паралельний детектор характеризується дещо нижчим коефіцієнтом передачі, проте забезпечення ним гальванічної розв’язки зумовлює його широке використання.

Амплітудні детектори, реалізовані на діодах, характеризуються широким динамічним діапазоном, проте коефіцієнт передачі діодних детекторів менший за одиницю. Використання як детектуючого елемента польового чи біполярного транзистора дозволяє забезпечити коефіцієнт передачі детектора більший за одиницю.

На рис 1.8 подана схема електрична принципова детектора з використанням польового транзистора як детектуючого елемента. Джерело Е₁ задає напругу зміщення. Саме з допомогою цього джерела і задається робоча точка польового транзистора, в якій його детектуючі властивості найвищі. Джерело Е₂ є джерелом живлення схеми транзисторного детектора. Конденсатор С_Н забезпечує шунтування коливань несучої та більш високих частот. У даній схемі детектування відбувається завдяки нелінійності перехідної характеристики

(Рис. 2.9). При подачі на вхід сигналу U_ВХ в стоковому колі появляються імпульси струму.

Середня величина випрямленого струму, змінюючись із частотою модулюючого сигналу, створює спад напруги на резисторі R_Н. Детектор на польовому транзисторі характеризується високим вхідним опором.

Рис. 2.8. Принципова електрична схема детектора стокового детектування на польовому транзисторі

Рис. 2.9. Осцилограми вхідного та вихідного сигналів детектора на польовому транзисторі

У випадку детекторів на біполярних транзисторах розрізняють схеми емітерного та базоколекторного детектування

Амплітудний детектор емітерного детектування (Рис. 2.10) характеризується широким динамічним діапазоном, тому його доцільно використовувати в приймачах, які приймають сигнали, що змінюються в широкому діапазоні величин.

Ця схема є класичною схемою транзисторного детектора на біполярному транзисторі з високим вхідним опором. По суті, вона є схемою емітерного повторювача, продетектованого емітерним переходом, амплітудно-модульованого радіосигналу. Оскільки дана схема є схемою з 100% від’ємним оберненим зв’язком то коефіцієнт передачі такого детектора менший за одиницю. Саме завдяки глибокому від’ємному оберненому зв’язку забезпечується широкий динамічний діапазон амплітудного детектора емітерного детектування.

Рис. 2.10. Схема амплітудного детектора емітерного детектування

Детектор на біполярному транзисторі базоколекторного детектування (Рис.2.11) амплітудно-модульованого радіосигналу має високий коефіцієнт передачі за потужністю, оскільки забезпечує підсилення продетектованого сигналу за струмом і напругою. Схема базоколекторного детектування характеризується значно вужчим динамічним діапазоном, тому її варто використовувати в тих випадках, коли приймач розрахований на приймання радіосигналів з малим діапазоном зміни амплітуди детектованого сигналу.

Рис. 2.11. Схема амплітудного детектора базоколекторного детектування

Детекторний ефект у базовому та колекторному колах транзистора за своїм впливом на колекторний струм протилежні, що в кінцевому результаті приводить до зниження величини коефіцієнта передачі, але при цьому зменшуються нелінійні спотворення і збільшується гранична амплітуда вхідного сигналу при якій ще не спостерігається обмеження сигналу в колекторному колі. Подальша лінеаризація детекторної характеристики забезпечується за рахунок зменшення коефіцієнта передачі шляхом збільшення глибини оберненого зв’язку R_Е С_Е. Постійна часу R_Е С_Е вибирається так, щоб складові струму несучої частоти замикались конденсатором С_Е, а струми частоти модуляції створювали певний спад напруги на R_Е..

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: