Детектирование модулируемых сигналов

Введение

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:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение  детектора: а) при когерентном приеме, б) при некогерентном приеме

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 2). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 2 - Детекторная характеристика детектора

Частотная характеристика представляет собой  зависимость амплитуды выходного  напряжения Umu детектора от частоты  модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Umu на всех частотах (рисунок 3). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего  сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Рисунок 3 - Частотная характеристика детектора

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Некогерентный амплитудный детектор на диоде

Принципиальная  электрическая схема некогерентного амплитудного детектора представлена на рисунке 4. 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 5.

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема  некогерентного амплитудного детектора  на диоде

На диод поступает АМ сигнал SАМ(t), в спектре  которого имеются составляющая несущего сигнала и боковые составляющие (рисунок 5, а). В спектре отклика  диода uд(t) появляются новые составляющие: постоянная, составляющая модулирующего  сигнала и высшие гармоники модулированного  сигнала (рисунок  5, б). Элементы R1 C1 образуют фильтр низких частот, который  шунтирует высокочастотные составляющие спектра отклика и тем самым  выделяют составляющую модулирующего  сигнала и постоянную составляющую uФНЧ(t) (рисунок  5, в). Разделительный конденсатор C2 задерживает постоянную составляющую спектра и в спектре  выходного сигнала присутствует только составляющая модулирующего  сигнала u(t) (рисунок  5, г).

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

Рисунок 5 - Процесс детектирования АМ сигналов

где С1 и R1 элементы ФНЧ.

При детектировании разделяют два режима: квадратичный и линейный.

При квадратичном режиме для детектирования сигналов используется нелинейный участок ВАХ  диода, который аппроксимируется полиномом  второй степени (рисунок 6). При данном режиме могут использоваться входные  сигналы небольшой амплитуды, но при этом возникают большие нелинейные искажения сигнала.

Рисунок 6 - Режимы детектирования

При линейном режиме используется линейный участок  ВАХ диода. При этом режиме входные  сигналы должны иметь достаточно большую амплитуду, но при этом нелинейные искажения сигнала отсутствуют.

Недостатком данного детектора является изменение  отношения сигнал-помеха на выходе модулятора, что может привести к  подавлению слабого сигнала сильной  помехой. Поэтому при использовании  данного детектора необходимо сначала  подавлять помехи, а потом детектировать  сигнал, т. е. применять додетекторную  обработку сигнала.

Синхронное детектирование

Синхронное  детектирование - это детектирование, при котором используется опорное  колебание с частотой и фазой  соответствующими частоте и фазе несущего колебания. Структурная электрическая схема синхронного детектора представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная электрическая схема  синхронного детектора

Для получения  опорного колебания с частотой и  фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание  из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор.

Свойством и основным достоинством синхронного  детектора является сохранение отношения  сигнал-помеха на выходе детектора. Это  объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь  частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала  и соотношений между составляющими  спектра. Это свойство детектора  позволяет применять последетекторную обработку сигнала.

Синхронный  детектор позволяет также детектировать  балансно-модулированные и однополосно-модулированные сигналы. Однако в данном случае возникают  трудности с получением информации о частоте и фазе несущего колебания, т. к. составляющая несущего колебания  в спектре этих сигналов отсутствует. Поэтому для детектирования этих сигналов применяют два технических  решения:

при детектировании используют пилот-сигнал, который представляет собой остаток несущего колебания  и передается вместе с сигналом, а на приеме выделяется системой ФАПЧ;

при детектировании на приемной стороне используется высокостабильный опорный генератор который вообще не синхронизируется. При этом возникает  сдвиг частот в канале связи (рисунок 8). Если этот сдвиг не превышает 10 Гц для телефонного сигнала, то получатель его не ощущает. Отсюда следуют жесткие  требования к стабильности генераторного  оборудования систем связи с ОМ.

Рисунок 8 - Процесс сдвига частот в канале связи

Детектирование частотно-модулированных сигналов

Детектирование  ЧМ сигналов может осуществляться при  когерентном и некогерентном  приеме. Рассмотрим детектирование ЧМ сигналов при некогерентном приеме. В этом случае детектирование осуществляется в два этапа:

преобразование  частотно-модулированного сигнала  в амплитудно-частотно-модулированный сигнал (АЧМ);

детектирование  АЧМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная  электрическая схема однотактного частотного детектора представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Принципиальная электрическая схема  однотактного частотного детектора

В данном детекторе в качестве преобразователя  ЧМ сигнала в АЧМ осуществляется с помощью колебательного контура L1 C1. Контур расстроен относительно несущей частоты, т. е. его резонансная  частота не равна частоте несущего сигнала (рисунок 10).

При увеличении частоты ЧМ сигнала, она приближается к резонансной частоте контура рез и амплитуда колебания uК(t) возрастает. При уменьшении частоты ЧМ сигнала, она удаляется от резонансной частоты контура и амплитуда uК(t) уменьшается. Таким образом, на выходе контура колебание представляет собой модулированный сигнал, у которого изменяется и частота амплитуда и частота (АЧМ сигнал). Затем данный сигнал детектируется амплитудным детектором.

Рисунок 10 - Временные диаграммы частотного детектора

Детекторная характеристика данного детектора  представлена на рисунке 11. Данная характеристика является нелинейной, а следовательно, при детектировании данным детектором модулирующий сигнал имеет нелинейные искажения.

Рисунок 11 - Детекторная характеристика однотактного частотного детектора

Для устранения нелинейных искажений используют балансную (двухтактную) схему частотного детектора (рисунок 12). В этом детекторе оба  колебательных контура взаимно  расстроены относительно несущей частоты  и имеют различные резонансные  частоты рез1 и рез2, характеристики контуров представлены на рисунке 13.

Рисунок 12 - Принципиальная электрическая схема балансного частотного детектора

Рисунок 13 - Частотная зависимость колебательных  контуров балансного детектора

В результате получаем характеристику в, в которой  имеется линейный участок между  резонансными частотами рез1 и рез2, который и используется для детектирования. Детекторная характеристика детектора балансного детектора представлена на рисунке 14.

Рисунок 14- Детекторная характеристика балансного частотного детектора

Детектирование фазо-модулированных сигналов

Детектирование  ФМ сигналов осуществляется при когерентном  приеме. Детектирование этих сигналов осуществляется в два этапа:

преобразование  ФМ сигнала в амплитудно-фазо-модулированный сигнал (АФМ);

детектирование  АФМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная  электрическая схема однотактного фазового детектора представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Принципиальная электрическая схема  однотактного фазового детектора