Принцип работы фазового детектора. Курсовая работа: Расчет фазового детектора. Фазовый детектор на логических элементах
Фазовым детектором (ФД) называют устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения.
Если на входе ФД действует напряжение
то продетектированное напряжение .
Положим, на входе ФД действует напряжение (рис.111, а ), тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис.111, б .
Рисунок 111 – Графики напряжений на входе и выходе ФД
Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180°.
При ФМ фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемой информацией. Так как в спектре напряжения на выходе ФД имеются частотные составляющие, которых не было в спектре напряжения , то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами.
Фазовое детектирование нельзя также осуществлять с помощью безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит только от амплитуды входного напряжения и не зависит от его фазы и частоты. Поэтому ФД можно выполнять на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).
Структурная схема ФД показана на рис.112. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение )
Под действием опорного напряжения меняется активный параметр схемы, обычно крутизна .
Рисунок 112 – Структурная схема ФД
Схема ФД совпадает также со схемой параметрического АД, поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД
, (12.1)
где - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;
В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД.
В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы.
Виды фазовых детекторов
Однотактный диодный ФД. Детектор выполнен по однотактной схеме (рис.113).
Рисунок 113 – Однотактный диодный ФД
Для осуществления фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение на выходе ФД определяется выражением (12.1), полученным при .
Характеристика детектирования диодного ФД, согласно (12.1), близка к косинусоиде.
Принцип действия ФД по схеме рис.112 можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний () (рис.114, а ).
На входе такого АД действует суммарное напряжение
Рисунок 114 – К вопросу принципа действия ФД
Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы.
В результате векторного сложения двух напряжений (рис.114, б ) получают напряжение той же частоты, но другой фазы.
Амплитуда суммарного колебания
.
Напряжение на выходе АД с коэффициентом передачи
Согласно (12.2), напряжение на выходе ФД зависит от входного сигнала; вид зависимости от определяется отношением .
В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис.115, а ).
Рисунок 115 – Характеристики детектирования ФД
Если , то
Таким образом, при малых амплитудах входного сигнала характеристика детектирования однотактного диодного ФД имеет косинусоидальную форму.
Если , то
в этом случае характеристика детектирования представляет собой циклоиду (рис.115, б ), сильно отличающуюся от косинусоиды.
Балансный ФД. Такой ФД представляет собой два диодных однотактных ФД (рис.116), каждый из которых работает на свою нагрузку.
Рисунок 116 – Балансный ФД
В результате этого на выходе каждого плеча ФД создается напряжение и встречной полярности, поэтому
.
Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности, поэтому фаза напряжения отличается на 180°.
к.т.н., доцент Петров Евгений Федорович
к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович
(ООО "Технический центр ЖАиС")
I. Принцип работы фазового детектора.
Принципиальная схема фазового детектора приведена на рис.1. Как видно из рис.1, к двум встречно-включенным диодам VD1 и VD2 подводится напряжение сигнала U с =U mc cosω c t и напряжение опорного сигнала U o =U mo cosω o t. При этом частота опорного сигнала, во-первых, ровно в два раза меньше частоты входного сигнала, т.е. ω o =0,5ω c и, во-вторых, сфазирована с ним.
Нагрузкой фазового детектора служит фильтр нижних частот, волновое сопротивление которого равно R ф.
Амплитуда опорного напряжения значительно больше напряжения сигнала U mo >>U mc , и выбирается такой величины, чтобы перекрывался весь нелинейный участок вольт-амперной характеристики диода. Таким образом, диоды выполняют роль электронных ключей, которые открываются под действием сильного сигнала опорной частоты и в эти моменты через диоды проходят импульсы тока частоты сигнала. Длительность импульсов этого тока определяется углом отсечки опорного напряжения.
Принцип работы такого детектора поясняется графиками рис.2. На рис. 2а напряжение опорной частоты и частоты сигнала находятся в противофазе. Когда напряжение опорного сигнала превышает напряжение отсечки, соответствующий диод открывается и через него протекает импульс тока сигнальной частоты. Как видно из рис.2а длительность протекания тока определяется углом отсечки опорного напряжения, период импульсов равен периоду напряжения сигнала. Функция. описывающая форму импульсов тока, является нечетной функцией, поэтому постоянная составляющая тока равна нулю, т.е. на выходе фильтра нижних частот напряжение равно нулю.
На рис.2б и 2в показаны варианты, когда сигналы сфазированы, причем рис.2б иллюстрирует вариант, при котором разность фаз ΔΦ=π/2, а рис.2в - когда ΔΦ=-π/2. Из данных рисунков видно, что в этих случаях импульсы тока описываются четными функциями и на выходе фильтра нижних частот будут максимальными по напряжению и противоположными по знаку. Таким образом выходное напряжение фазового детектора пропорционально синусу разности напряжений фазоопорной и сигнальной частоты U вых =sinΔΦ.
II. Характеристики диодов.
Вольт-амперная характеристика реального полупроводникового диода приведена на рис.3, а на рис. 4 показаны его эквивалентные схемы в прямом и обратном включении.
Элементами эквивалентных схем являются:
r д - дифференциальное сопротивление p-n перехода;
C диф - дифференциальная емкость p-n перехода;
C б - барьерная емкость перехода;
C к - емкость корпуса;
r б - сопротивление базы;
R ут - сопротивление утечки.
На частотах ω<<1/τ p (τ p - время жизни неосновных носителей в области базы) и при большом прямом смещении параметры диода определяются исходя из следующих выражений:
(1)
де k - постоянная Больцмана, T - температура по Кельвину, q - заряд электрона, m - коэффициент равный 1 для германиевых приборов и 0,38...0,9 - для кремниевых, I д - ток диода.
Полное комплексное сопротивление диода в открытом состоянии равно
(2)
На частотах
,тогда
а на более низких частотах
Дифференциальное сопротивление диода зависит от приложенного напряжения и уменьшается с его ростом\. поэтому при малых величинах тока диода сопротивление его на частоте ω д в основном определяется r д. При больших токах диода величина r д уменьшается и возрастает влияние r б, т.е. r д →r б при Uвх→∞.
Ток диода с учетом сопротивления базы описывается следующим уравнением:
откуда крутизна детекторной характеристики:
где
(3)
Из (3) видно, что максимальное значение крутизны диодной характеристики ограничивается величиной r б.
Зависимость крутизны от напряжения опорного сигнала приведена на рис.6.
U1 - максимальное значение амплитуды опорного сигнала,
Uпор - пороговое значение амплитуды сигнала, соответствующее отсечке тока диода. Отсюда ясно, что для повышения коэффициента передачи фазового детектора необходимо выбирать диод с минимальным значением сопротивления базы.
II. Анализ работы фазового детектора.
1. При отсутствии напряжения сигнала.
Учитывая большой уровень опорного сигнала, представим диодную характеристику линейно-ломаной. Тогда характеристика двух встречно включенных диодов представлена на рис.7, где приведены также диаграммы токов и напряжений.
В первом приближении полагаем, что характеристики двух диодов идентичны, т.е. U пор1 =U пор2 =U пор (Ө 1 =Ө 2 =Ө).
Импульсы тока в каждом диоде являются четной функцией времени и имеют период T=1/ω, поэтому могут быть разложены в ряд Фурье
(4)
Коэффициенты ряда Фурье разложения тока, протекающего через первый диод, равны:
Импульсы тока второго диода сдвинуты на полпериода относительно импульсов тока первого диода, т.е. на π. Тогда, используя выражение (5), коэффициенты ряда Фурье
разложения тока второго диода:
Таким образом, при условии идентичности параметров диодов четные гармоники диодов противофазны и в суммарном токе отсутствуют. Нечетные гармоники находятся в фазе и амплитуды их суммируются. Так как частота опорного сигнала в два раза меньше частоты сигнала, то ток на частоте сигнала отсутствует. Таким образом, при отсутствии полезного сигнала входное сопротивление детектора определяется суммарной барьерной емкостью двух диодов. Сопротивление детектора на частоте опорного сигнала равно
(6)
Минимальное значение входного сопротивления детектора для источника опорного напряжения равно:
(7)
2. При наличии напряжения сигнала.
Как видно из диаграмм рис.2 при наличии напряжения сигнала Uс на входе детектора импульсы тока с сигнальной частотой находятся в фазе, и длительность этих импульсов равна 2Ө, т.е. определяется углом отсечки опорного напряжения, рис.8.
Так как функция, описывающая форму импульсов тока является четной функцией, то ток можно разложить в ряд Фурье по косинусным составляющим
Напряжение на выходе низкочастотного фильтра пропорционально постоянной составляющей тока детектора. Ток детектора состоит из усеченных частей косинусоиды, причем угол отсечки сигнального напряжения определяется из соотношения:
Откуда угол отсечки
Ток i (wt) является периодической функцией и в пределах угла 2Ө описывается уравнением:
Постоянная (низкочастотная) составляющая тока
Первая гармоника
Так как выходное напряжение фильтра
Коэффициент передачи детектора равен
(10)
Входное сопротивление детектора на сигнальной частоте
Крутизна диодной характеристики при заданном уровне опорного сигнала определяется путем линеаризации реальной характеристики крутизны диода линейно-ломанной аппроксимацией рис.9.
Из рис. 9 видно, что
(12)
тогда разлагая крутизну S(t) в ряд Фурье по косинусным составляющим и определив первую гармонику, находим
Максимальное значение крутизны равно
При дальнейшем увеличении амплитуды опорного напряжения крутизна диодной характеристики на частоте сигнала растет весьма слабо, а входное сопротивление фазового детектора падает сильнее. Это объясняется тем, что при увеличении U mo форма импульса S(t) вначале приобретает уплощенный характер, а затем трапецеидальный вид, т.е. появляется отсечка верхней части импульса S(t).
V. Выбор типа и параметров фильтра нижних частот.
Тип реализации ФНЧ может быть Чебышевский или Баттервортовский.
Первый тип обеспечивает лучшее подавление за полосой пропускания и имеет более крутой срез частотной характеристики, но при этом обладает большей неравномерностью в полосе пропускания.
Второй тип реализации ФНЧ предпочтительнее для обеспечения высокой равномерности АЧХ в полосе пропускания и малого разброса (<1%) частотных характеристик в многоканальных системах. Однако для обеспечения высокого подавления в полосе заграждения при подобной реализации необходимо увеличивать порядок фильтра. В данном случае порядок фильтра выбирается из требуемого подавления напряжения опорного сигнала, которое определяется заданным динамическим диапазоном фазового детектора.
Расчет требуемого подавления опорного сигнала.
Пусть Uс max - максимальное (линейное) напряжение сигнала на выходе ФНЧ фазового детектора, а K - коэффициент усиления последующих усилителей (например, до входа АЦП). Тогда напряжение сигнала на входе АЦП (максимальное)
Если D - заданный динамический диапазон, то его нижняя граница равна
Полагая, что нижняя граница динамического диапазона при заданном соотношении сигнал-шум определяется в равной степени уровнем собственного шума и просачивающимся напряжением опорного сигнала, то его допустимый уровень на входе АЦП равен
Если напряжение опорного сигнала на фазовом детекторе равно U mo , то требуемое его подавление
(14)
Например, если U с max =60 мВ, динамический диапазон D - 60 дБ, напряжение опорного сигнала U mo = 0,85 В и γ=1, то требуемое подавление (14) составляет 89 дБ.
Подобное подавление опорной частоты обеспечивает фильтр 8-го... 9-ого порядка.
Конфигурация звеньев ФНЧ может быть двух типов, рис.10.
Выбор типа конфигурации звена определяется способом подачи опорного напряжения на диоды фазового детектора. При подаче опорного напряжения по схеме рис. 11а, т. е. в той же точке схемы, где прикладывается напряжение сигнала, входным элементом ФНЧ должна быть емкость, чтобы все высокочастотное напряжение прикладывалось к диодам.
При подаче опорного напряжения по схеме рис. 11б первым элементом фильтра должна быть индуктивность (внутреннее сопротивление источника опорного напряжения на частоте сигнала должно быть близким к нулю).
В случае широкополосного сигнала, т.е. когда верхняя частота фильтра близка к частоте опорного сигнала, реализация ФНЧ с заданным подавлением опорного напряжения осуществляется с большими трудностями. Для ослабления требований к ФНЧ и обеспечения требуемого подавления опорного сигнала фазовый детектор в этом случае может быть выполнен по балансной схеме, рис.12.
Ввиду того, что при таком включении происходит подавление опорного сигнала, уменьшается число звеньев ФНЧ и возможно применение Баттервортовской реализации. Однако в этой схеме необходимо применение четырех диодов с достаточно идентичными параметрами, что на относительно невысоких частотах выполняется путем использования транзисторных матриц в полупроводниковом исполнении. На высоких частотах необходим подбор диодов. Кроме этого, в этой схеме требуется вдвое мощный источник опорного сигнала.
V. Экспериментальное исследование фазового детектора на встречно-включенных диодах.
Экспериментальные исследования проводились с фазовым детектором по схеме рис. 13.
Входной сигнал с частотой fc=20 МГц с параллельного контура L1C1 подается на нелинейный элемент фазового детектора, который представляет собой два встречно-включенных диода (использована транзисторная матрица 159НТ1Е, транзисторы которой работают в диодном включении). Напряжение опорного сигнала подается черех разделительный конденсатор С3. Элементы L2-L4, C4-C6, R1, R2 образуют баттервортовский ФНЧ 6-ого порядка с частотой среза f ср =1,2 МГц. Частота опорного сигнала равна 10 МГц.
Как было показано выше существует оптимальное значение амплитуды опорного напряжения, при котором коэффициент передачи детектора достигает максимального значения. Для данной схемы Uо опт=850 мВ при t=20град. Максимальный допустимый сигнал по входу равен 270 мВ. Коэффициент передачи фазового детектора Kд= 0,4
Цифровые детектры - 2 -
ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
В большинстве современных радиоэлектронных систем приемные устройства представляют собой весьма сложную структуру, реализующую обработку аналоговых сигналов цифровыми методами. Одним из основных их элементов являются импульсные и цифровые детекторы.
Фазовый детектор на логических элементах
Такие детекторы выполняют на дискретных логических элементах, и их часто называют импульсными. В фазовых детекторах на логических элементах ФМ-колебание преобразуется в импульсное напряжение, скважность импульсов которого зависит от фазы входного сигнала.
На рис. 6.25, а приведена схема фазового детектора, а на рис. 6.25, б - е диаграммы, поясняющие его работу.
Импульсный фазовый детектор имеет два входа, на один из них подается ФМ-сигнал u ФМ (t ) = u ФМ (рис. 6.25, б), на другой - опорное напряжение u ОП (t ) = u ОП (рис. 6.25, г). ФМ-сигнал и опорное напряжение поступают на формирующие устройства УФ 1 и УФ 2 соответственно, в качестве которых и используются компараторы. На выходах УФ возникают последовательности прямоугольных импульсов u 1 и u 2 (рис 6.25, в, д), длительности которых равны соответственно полупериодам входных колебаний - ФМ-сигнала и опорного напряжения. Сформированные импульсные напряжения u 1 и u 2 поступают на логическое звено И, в качестве которого используются логический элемент И-НЕ. Импульсное напряжение u и амплитудой U 0 на выходе этого звена формируется только при одновременном действии напряжений u 1 и u 2 (рис. 6.25, е) ФНЧ выделяет из этого напряжения постоянную составляющую, амплитуда которого U c определяется формулой (ее нетрудно вывести):
Согласно (6.16), выходное напряжение U c фазового детектора на логических элементах линейно зависит от сдвига фазы ФМ-сигнала относительно фазы опорного напряжения.
Цифровой фазовый детектор
Проанализируем процессы детектирования так называемого знакового сигнала, представляющего собой последовательность потенциальных импульсов («единиц») и пауз («нулей»). Простейшими аналогами таких колебаний являются сигналы с ШИМ, или ФИМ.
Рассмотрим фазовое детектирование периодической Последовательности прямоугольных импульсов. Заметим, что задержка на некоторое время τ периодического сигнала с периодом следования Т эквивалентна повороту его фазы на определенный угол φ = 2πτ /T . Простейшая схема цифрового фазового детектора (ЦФД) приведена на рис. 6.26, а.
ЦФД выполнен на интегральном JK -триггере, к выходу которого подключен фильтр нижних частот в виде интегрирующей RC -цепи. На рис. 6.26, б показаны временные диаграммы напряжений знакового сигнала u ФМ (отражающего ФМ-колебание), тактовой последовательности импульсов u оп (т. е. опорного напряжения, с фазой которого сравнивается фаза знакового сигнала) и сигнал U (t ) на выходе ЦФД. Импульсный сигнал Q на выходе JK - триггера соответствует его таблице истинности.
Как следует из диаграмм напряжений, длительность выходных импульсов триггера пропорциональна временному (а, значит, и фазовому) сдвигу между колебаниями u ФМ и u оп. Напряжение на выходе ЦФД U (t ) образуется сглаживанием импульсов Q в ФНЧ.
Цифровые фазовые детекторы могут быть построены не только на интегральном JK - триггере, но и на других логических схемах: элементе «Исключающее ИЛИ», RS - триггере и пр. С помощью этих схем достаточно просто удается получить длительность выходных импульсов, прямо пропорциональную временной задержке между сигналами u ФМ и u оп, после чего сгладить эти импульсы в ФНЧ. На рис. 6.27, а в качестве примера приведена схема ЦФД на элементе «Исключающее ИЛИ» (Сумматор по модулю два ). Временные диаграммы работы ЦФД показаны на рис. 6.27, б. В этой схеме импульсное напряжение у, сформированное в схеме «Исключающее ИЛИ», подается на ФНЧ. Напряжение U (t ) на выходе ФНЧ пропорционально сдвигу ФМ-сигнала относительно опорного u оп. Этот детектор более помехоустойчив, чем ЦФД на триггере. Дело в том, что триггеры срабатывают по фронтам импульсов, поэтому в случае «дребезга» этих фронтов выходной сигнал ЦФД может оказаться существенно искаженным. Напротив, схема «Исключающее ИЛИ» работает по уровням входных сигналов, поэтому короткие шумовые или помеховые импульсы, приводящие к «дребезгу» фронтов этих сигналов, не могут заметно исказить выходное напряжение.
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:
Рисунок 38 - 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 39). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.
Рисунок 39 - Детекторная характеристика детектора
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.
Рисунок 40 - Частотная характеристика детектора
Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um u к амплитуде приращения информационного параметра несущей
Кд = Um u / ?Um . (27)
Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики:
Кд = ktg ? (28)
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.
Рисунок 41 - Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора на диоде
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
Рисунок 42 - Процесс детектирования АМ сигналов
1/ ? 0 С 1 << R 1 << 1/ ? C 1 (29)
где С 1 и R 1 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 43). При данном режиме могут использоваться входные сигналы небольшой амплитуды, но при этом возникают большие нелинейные искажения сигнала.
Рисунок 43 - 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.
Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется по выражению:
где R1 — сопротивление ФНЧ детектора;
Sср — средняя крутизна ВАХ диода.
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 44.
Рисунок 44 - Структурная электрическая схема синхронного детектора
На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал S АМ (t) и опорное колебание от генератора u г (t):
S АМ (t) = Um(1 + m АМ u(t)) cos (w 0 t + ? 0 );
u г (t) = Um г cos (w 0 t + ? 0 ).
На выходе модулятора формируется сигнал u 1 (t)
u 1 (t ) = S АМ (t ) ? u г (t ) = Um (1 + m АМ u (t )) cos (w 0 t + j 0 ) ?
? Um г cos (w 0 t + ? 0 ) = 0,5 Um Um г (1 + m АМ u (t )) ?
? (1 + cos (2 w 0 t + 2 ? 0 )) (31)
ФНЧ на выходе модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала:
u вых (t ) = 0,5 Um Um г m АМ u (t ) (32)
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. Для детектирования используется местная несущая отличающаяся от передаваемой на??. При этом возникает сдвиг частот в канале связи (рисунок 45). 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 45 - 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 46.
Рисунок 46 - 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 47).
При увеличении частоты ЧМ сигнала, она приближается к резонансной частоте контура? рез и амплитуда колебания u К (t) возрастает. При уменьшении частоты ЧМ сигнала, она удаляется от резонансной частоты контура и амплитуда u К (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 47 - Временные диаграммы частотного детектора
Детекторная характеристика данного детектора представлена на рисунке 48. Данная характеристика является нелинейной, а следовательно, при детектировании данным детектором модулирующий сигнал имеет нелинейные искажения.
Рисунок 48 - Детекторная характеристика однотактного частотного детектора
Для устранения нелинейных искажений используют балансную (двухтактную) схему частотного детектора (рисунок 49). В этом детекторе оба колебательных контура взаимно расстроены относительно несущей частоты и имеют различные резонансные частоты? рез1 и? рез2 , характеристики контуров представлены на рисунке 50.
Рисунок 49 - Принципиальная электрическая схема балансного частотного детектора
Рисунок 50 - 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 51.
Рисунок 51- 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 52.
Рисунок 52 - Принципиальная электрическая схема однотактного фазового детектора
Он представляет собой амплитудный детектор, в котором используется опорное колебание. Преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал осуществляется диодом VD. На диод подается два напряжения: опорное колебание u оп (t) с фазой? = 0 и ФМ сигнал u фм (t). Напряжение диода определяется суммой этих напряжений:
u д (t ) = u оп (t )+ u фм (t ) (33)
Формирование напряжения на диоде поясняется векторной диаграммой (рисунок 53). Допустим, в некоторый момент времени ФМ сигнал имеет значение фазы? фм1 соответствующее наклону вектора u фм1 , тогда напряжение на диоде будет соответствовать вектору u д1 . В следующий момент времени фаза ФМ сигнала изменится, и будет соответствовать углу наклона? фм2 вектора u фм2 (при этом длина вектора соответствует длине вектора u д1 , т. к. амплитуда ФМ сигнала не изменяется).Напряжение на диоде в этот момент времени соответствует вектору u д2 . Как видно из диаграммы, вектора u д1 и u д2 имеют различную длину, а соответственно и амплитуду.
Рисунок 53 - Формирование напряжений на диоде
Таким образом, на диоде происходит преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал. Одновременно с этим преобразованием диод осуществляет трансформацию спектра АФМ сигнала, и дальнейшее детектирование осуществляется аналогично детектированию однотактным амплитудным детектором. Детекторная характеристика однотактного фазового детектора представлена на рисунке 54. Как видно эта характеристика имеет нелинейный характер, что приводит к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.
Рисунок 54 - Детекторная характеристика однотактного фазового детектора
Для уменьшения нелинейных искажений применяют балансный (двухтактный) фазовый модулятор (рисунок 55).
Рисунок 55 - Принципиальная электрическая схема балансного фазового детектора
Данный детектор состоит из двух однотактных фазовых детекторов. Опорное напряжение u оп (t) подводится между средней точкой вторичной обмотки трансформатора (Т) и точками соединения резисторов R1 R2 и конденсаторов С1 С2. Напряжение ФМ сигнала u фм (t) подается через первичную обмотку трансформатора. Пусть в некоторый момент времени на вход детектора поступает сигнал u фм (t) с фазой?(t) и полярностью напряжений соответствующей указанной на рисунке. В этом случае напряжение на диодах будет определяться:
u д1 = u оп + 0,5 u фм ;
u д2 = u оп — 0,5 u фм . (34)
При этом векторная диаграмма будет иметь вид (рисунок 56). Как видно из диаграммы, напряжение входного сигнала на каждом из диодов составляет половину от входного напряжения детектора u фм и эти напряжения противоположны по фазе. Напряжение на диодах определяется векторами u д1 и u д2 . Как следует из диаграммы u д1 > u д2 . Выходное напряжение каждого из однотактных детекторов будет определяться:
u вых1 (t ) = К д Um д1 ;
u вых2 (t ) = К д Um д2 (35)
где К д — коэффициент передачи детектора.
Рисунок 56 - Формирование напряжений на диодах балансного фазового детектора
Поскольку эти напряжения противоположны, то выходное напряжения балансного детектора определяется:
u вых (t ) = u вых1 (t ) — u вых2 (t ) = К д (Um д1 — Um д2 ) (36)
Детекторная характеристика балансного детектора представлена на рисунке 57.
Рисунок 57 - Детекторная характеристика балансного фазового детектора
Как видно из характеристики при?(t) = 90° и?(t) = 180° выходное напряжение равно нулю, т. к. Um д1 = Um д2 и u вых1 (t) = u вых2 (t). Вблизи указанных углов характеристика имеет линейные участки, использование которых при детектировании позволяет исключить нелинейные искажения модулирующего сигнала.
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.
Рисунок 58 - Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов
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):
u вых (t) = u АД1 (t) — u АД2 (t) (37)
Рисунок 59 - Процесс детектирования ЧМ сигналов
Детектирование фазо-манипулированных сигналов.
Детектирование данных сигналов осуществляется при когерентном приеме. Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов представлена на рисунке 60.
Рисунок 60 - Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов
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 S 1 (t) или S 2 (t). Сигнал, полученный на выходе ФД поступает в решающее устройство, которое определяет какой сигнал принят u 1 или u 2 . 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 u 2 («1»), если меньше нуля, то принят элемент отрицательной полярности u 1 («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 S 1 или S 2 . Использование для целей фазовой синхронизации входного сигнала Z(t) приводит к эффекту обратной работы . Обратная работа заключается в замене, пи детектировании, сигнала u 1 сигналом u 2 и наоборот. Обратная работа возникает тогда, когда фаза опорных колебаний генератора меняется на противоположную. Это возникает из-за того, что при равновероятных сигнала S 1 и S 2 , 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.
Рисунок 61 - Структурная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения фаз
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 u 2 («1»), если полярности не совпадают, то сигнал отрицательной полярности u 1 («0»). Так как обратная работа изменяет полярность как текущей, так и предыдущей посылок, то она на работе СУ не сказывается.
Рисунок 62 - Функциональная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения полярностей
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.
Рисунок 63 - Регенерация импульсно-модулированных сигналов
Фазовый детектор (ФД) – устройство, формирующее напряжение, которое изменяется в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения.
Если напряжение на входе ФД: u вх =U вх ·cos[ωt+φ(t)], то напряжение на выходе ФД: E д =К ФД ·φ(t).
Т.к. в спектре напряжения на выходе ФД есть частотные составляющие, которых не было на входе, то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами или нелинейную безынерционную систему. Поэтому ФД можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).
Структурная схема ФД:
Эта схема совпадает со схемой преобразователя частоты, отличается тем, что частота гетеродина (опорное напряжение) ω г =ω с =ω 0 . Под действием опорного напряжения u 0 меняется активный параметр схемы (обычно это крутизна S). Источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.
Исходя из того, что схема ФД также совпадает со схемой параметрического АД, продетектированное напряжение можно записать в следующем виде:
Е д =0,5S 1 U вх R н cosφ, (*)
где S 1 – амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента,
В зависимости от вида нелинейной цепи различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используются диоды и транзисторы.
Однотактный диодный ФД.
К диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение, напряжение на выходе ФД определяется выражением (*) при предположении, что U вх <
Принцип действия можно пояснить, рассматривая ФД как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (u вх +u 0). На входе такого АД действует суммарное напряжение u Σ = u вх +u 0 =U вх cos(ω 0 t+φ)+ U 0 cosω 0 t, эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получается напряжение той же частоты, но другой фазы и с амплитудой . На выходе АД с коэффициентом передачи К д будет напряжение Е д =К д U Σ . Из этих выражений можно сделать вывод, что напряжение Е д на выходе ФД зависит от фазы входного сигнала, а вид этой зависимости определяется отношение U вх /U 0 . В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис. а ).
Если U вх <
Если U вх ≈U 0 , то , тогда характеристика детектирования представляет собой циклоиду, сильно отличающуюся от косинусоиды (рис. б ).
Балансный ФД.
Такой вид ФД представляет собой два диодных однотактных ФД, каждый из которых работает на свою нагрузку:
На выходе каждого плеча ФД создается напряжение Е д1 и Е д2 встречной полярности, поэтому Е д = Е д1 -Е д2 . Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности, поэтому фазы напряжений u вх ʹ и u вх ʺ отличаются на 180˚. Опорное напряжение прикладывается к диодам в одинаковой фазе, поэтому:
Тогда выходное напряжение . Характеристика детектирования плеч и всего ФД:
Характеристика детектирования балансного ФД по сравнению с однотактным более симметрична и проходит через ноль.
В кольцевом ФД используется два балансных ФД, при этом улучшается симметричность характеристики детектирования, а коэффициент передачи детектора возрастает.
ФД на логических дискретных элементах.
Устройство формирования УФ преобразует аналоговый гармонический сигнал в импульсное напряжение. Детектор имеет два входа: на первый подается ФМ колебание (рис. а
), на второй – опорное напряжение (рис. в
). Диаграммы напряжений u 1 и u 2 представлены на рис. б
и г
. Напряжения u 1 и u 2 подаются на цепь И, в качестве которой используются два логических элемента И-НЕ. Напряжение u на выходе цепи И создается только при одновременном действии напряжений u 1 и u 2 (рис. д
). Фильтр ФНЧ выделяет постоянную составляющую напряжения.
Статьи по теме
