|
||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
РОЗДІЛ 13. ДЕТЕКТУВАННЯ
13.1. ЗАГАЛЬНЕ ПОНЯТТЯ ПРО ДЕТЕКТУВАННЯ Детектуванням називають таке перетворення модульованого сигналу, в результаті якого отримується модулюючий (первинний) сигнал. Операція детектування є оберненою до модуляції і нелінійною, оскільки у спектрі модульованого сигналу відсутні спектральні складові модулюючого сигналу. Тому детектори - це, як правило, нелінійні пристрої, дещо рідше - параметричні.
Будь-який детектор характеризується детекторною характеристикою, коефіцієнтом передачі та частотною характеристикою. Детекторною характеристикою називають залежність постійної складової напруги Коефіцієнт передачі детектора визначається для гармонічного модулюючого сигналу і дорівнює відношенню амплітуди гармонічного сигналу на виході детектора Частотна характеристика детектора являє собою залежність амплітуди вихідної напруги детектора
13.2. АМПЛІТУДНІ ДЕТЕКТОРИ Принцип детектування АМ-сигналів. Амплітудні детектори (АД) перетворюють вхідний АМ-сигнал виду (3.7)
у вихідну напругу, яка змінюється за законом модулюючого сигналу
де
Нелінійний елемент із резистивним навантаженням застосовується як однобічний обмежувач. Якщо на нього подати АМ-сигнал (3.7), то на виході дістанемо сигнал ![]() ![]() ![]()
де
тобто
Відзначимо, що в наведеному детекторі сигнали на його виході та модулюючий пропорційні, тому такий режим роботи детектора прийнято називати лінійним. Він забезпечує відсутність спотворень модулюючого сигналу. тобто є ідеальним АД. Досить часто описаний вище детектор називають детектором обвідної, оскільки його вихідний сигнал пропорційний обвідній модульованого сигналу і не залежить від початкової фази. Аналогічно можна побудувати АД з двопівперіодним випрямленням. При цьому в спектрі сигналу на виході НЕ будуть відсутні складові з частотами Описаний принцип є основою класичних АД на лампах, транзисторах, мікросхемах із різними способами вмикання навантаження та модулюючого сигналу. Це анодні, сіткові, катодні, колекторні, базові, емітерні та інші детектори. Як ФНЧ у них звичайно застосовується паралельна RC-ланка, значення елементів якої для ефективного фільтрування складових із частотами
де Діодний детектор. Схема найпростішого АД містить лише три елементи: діод VD резистор навантаження
а також постійному та змінному струму тощо. Розрізняють два режими детектування - слабких та сильних сигналів. У разі слабких вхідних сигналів ВАХ діода можна апроксимувати квадратичним поліномом (4.7) із коефіцієнтами
Оскільки складові з частотами
З цього виразу випливає, що напруга на виході такого АД пропорційна квадрату амплітуди модульованого сигналу, тому такий режим роботи АД називають квадратичним. При малих значеннях амплітуди
На практиці здебільшого використовують лінійний режим детектування, за якого застосовують більш сильні вхідні сигнали. У цьому випадку можна вважати, що ВАХ діода має кусково-лінійний вигляд із нульовою початковою напругою та крутістю Процес детектування модульованої напруги діодним детектором ілюструється часовою діаграмою, що подано на рис. 15.3, б. Вона для наочності суміщена з ВАХ діода. Інтервали напруги, коли діод відкритий, затемнені. Коефіцієнт передачі ДД
Взаємодія сигналу і завади в АД. У реальних умовах приймання на вході АД завжди присутні як корисний сигнал, так і завади. Найчастіше зустрічається два види завад: флуктуаційні типу білого шуму та зосереджені за спектром від інших засобів електрозв'язку. Механізм взаємодії в АД сигналу та завади простежено для найпростішого випадку - напруга на вході детектора є адитивна суміш двох гармонічних коливань із різними, але близькими частотами:
де перша складова - корисний сигнал, друга - завада. З фізики відомо, що у разі складення двох гармонічних коливань із близькими частотами виникають биття з різницевою частотою
Обвідна биття не є гармонічною, але для випадку слабкої завади, коли
Якщо детектування лінійне, напруга на виході детектора пропорційна обвідній биття, і її можна знайти за формулою (15.1) при значеннях
Таким чином, із формули (15.7) випливає, що навіть у разі дії на АД суми двох немодульованих коливань на його виході з'являється гармонічний сигнал із частотою Зі співвідношення (15.7) видно, що лінійний АД є лінійним і для слабкої завади, тобто відношення сигнал-завада на вході й виході АД пропорційні. Якщо сигнал та завада будуть не гармонічні, а складні (сигнал модульований, завада флуктуаційна), то спектр вихідного сигналу АД ускладнюється через биття між різними складовими сигналу та завади. Але і в цьому випадку пропорційність між відношеннями сигнал-завада на вході та виході АД зберігається. Складніші явища спостерігаються в АД у разі сильної завади, коли Недоліком класичних схем АД на діодах та транзисторах є незначний коефіцієнт передачі та малий вхідний опір (у діодного АД), значна нелінійність вхідного опору, поява значних нелінійних спотворень у разі амплітуди вхідної напруги Можна дещо поліпшити якісні показники амплітудного детектування, якщо застосувати в АД диференційні підсилювачі з діодами в колі зворотного зв'язку. Але ефект приглушення сигналу завадою все ж таки залишається.
13.3. СИНХРОННЕ ДЕТЕКТУВАННЯ
Синхронним називається амплітудне детектування, в якому використовуються відомості про частоту та початкову фазу переносника модульованого сигналу. Синхронне детектування запропоноване в 1934 р. Є.Г. Момотом. Принцип роботи синхронного детектора (СД) ґрунтується на перемноженні АМ-сигналу (3.7) і гармонічної коливання опорного генератора та виділенні ФНЧ із добутку складових модулюючого сигналу. Частота та фаза гармонічного коливання опорного генератора збігаються з частотою і фазою переносника модульованого сигналу. Функціональна схема СД подана на рис. 15.6. Легко простежити, що в результаті операцій перемноження й фільтрації на виході СД дістаємо напругу, пропорційну модулюючому сигналу: на виході перемножувача
;
на виході ФНЧ
Сигнали можна перемножити за будь-якою зі схем аналогових перемножувачів (див. § 6.9), ФНЧ може бути пасивним (RC чи LС) або активним.
Синхронні детектори застосовуються також для детектування БМ- та ОМ-сигналів. Якщо до входу СД подати БМ- чи ОМ-сигнали, то, виконавши аналогічні перетворення за формулами (15.8) та (15.9), дістанемо, що і в цьому разі сигнал на виході СД описується виразом (15.9), тобто СД є ідеальним детектором як для АМ, так і для БМ- та ОМ-сигналів. Основна перевага синхронного детектора полягає в тому, що в ньому здійснюється перенесення спектра з високочастотної області в низькочастотну без зміни співвідношення між амплітудами спектральних складових сигналу та завад. Це випливає з того, що СД можна розглядати як перетворювач частоти при частоті гетеродина, що збігається з частотою сигналу. З рівності амплітуд сигналу і завади до й після детектора випливає, що в СД відсутній ефект приглушення слабкого сигналу сильною завадою. Для СД характерна лінійна залежність між відношеннями сигнал-завада на вході й виході. Отже, за синхронного детектування можна з однаковою ефективністю застосовувати як додетекторне, так і післядетекторне оброблення. У ряді випадків перевага надається післядетекторному обробленню та синхронному детектуванню. Основні труднощі синхронного детектування полягають у формуванні синхронного та синфазного з частотою гармонічного переносника опорного коливання. У спектрі АМ-сигналу є гармонічна складова з частотою переносника, тому є можливість за допомогою системи фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) сформувати синхронне та синфазне коливання опорного генератора. Але за синхронного детектування БМ- та ОМ-сигналів виникають принципові труднощі формування синфазного коливання опорного генератора. Це пов'язано з тим, що у спектрі БМ- і ОМ-сигналів складова з частотою переносника відсутня. Знаходять застосування два технічних рішення. 1. Разом із БМ- і ОМ-сигналами передається так званий пілот-сигнал, що являє собою залишок складової з частотою переносника. Пілот-сигнал використовується у приймачі для системи ФАПЧ опорного генератора. 2. За наявності високостабільних генераторів (переносника та опорного) фазову синхронізацію взагалі не застосовують. Для детектування використовується несинхронний опорний генератор, частота якого відрізняється від частоти переносника на деяку величину
![]()
З'ясуємо, до чого призведе, наприклад, детектування ОМ-сигналу (3.11) у разі застосування несинхронного опорного генератора за формулою (15.10). Для спрощення записів у розрахунках приймемо
а після фільтрації складових із частотою
Якщо
Знак "плюс" у виразі (15.12) стосується детектування верхньої, а "мінус" - нижньої бокових смуг частот. Як видно з виразу (15.12), через несинхронність переносника та опорного генератора при детектуванні ОМ-сигналів спектр сигналу на виході детектора дістає зсув на
13.4. ФАЗОВІ ДЕТЕКТОРИ
Принцип роботи. Фазові детектори (ФД) перетворюють вхідний фазомодульований сигнал (3.14)
де Виявити фазовий зсув у ФМ-сигналі можна тільки його порівнянням із немодульованим коливанням, що називають опорним, тому всі ФД є когерентними, будуються з використанням перемножувачів і потребують синхронного з частотою переносника опорного коливання. Структурна схема ФД аналогічна схемі СД (рис. 15.6). До входів перемножувача подають ФМ-сигнал
Фільтр нижніх частот не пропускає на вихід другу гармоніку частоти переносника, і на виході ФНЧ дістаємо
З виразу (15.14) випливає, що вихідна напруга являє собою функцію різниці фаз сигналів, що порівнюються. Якщо прийняти, що
тобто напруга на виході пропорційна модулюючому сигналу
Відзначимо, що вихідна напруга ФД згідно з виразом (15.15) у загальному випадку визначається не тільки різницею фаз сигналів, які подаються до його входів, але й їхніми амплітудами. У деяких схемах ФД вибором співвідношення між амплітудами можна забезпечити необхідну залежність ![]() ![]() ![]() Типи ФД. Детектори розрізняються за типом використовуваного перемножувача, наявністю чи відсутністю обмежувача та методами утворення опорного коливання. Як перемножувачі можна використовувати будь-які схеми, що описані в § 6.9. Нині найбільше поширення дістав балансний ФД. Фази двох сигналів у ньому порівнюються амплітудним детектуванням їх суми. Незважаючи на те, що при цьому не забезпечується ідеальне перемноження, належним вибором співвідношення між амплітудами ФМ-сигналу та опорного коливання можна досягти достатньої лінійності детекторної характеристики. Принципова схема балансного ФД (рис. 15.9, а) складається з двох ідентичних амплітудних діодних детекторів, що ввімкнені назустріч. На входи АД подаються напруги
Оскільки напруги на навантаженнях детекторів діють назустріч, то за однакових коефіцієнтів передачі детекторів
![]()
Найбільш близькою до лінійної детекторна характеристика буде у разі Можна розширити лінійність детекторної характеристики ФД до граничного значення ±90°, якщо замість аналогового перемножувача застосувати схеми, які працюють у ключовому режимі, - елементи двійкової логіки. Такі ФД називають ключовими. Звичайно, для керування схемами логіки ключового ФД вхідні сигнали мають бути перетворені, наприклад, амплітудними обмежувачами у дискретний двійковий сигнал.
13.5. ЧАСТОТНЕ ДЕТЕКТУВАННЯ Принцип роботи. Частотні детектори (ЧД) перетворюють вхідний частотно-модульований сигнал (З.16)
де
Залежно від характеру перетворення ЧМ-сигналу розрізняють частотно-амплітудні, частотнофазові, частотно-імпульсні та інші детектори. У частотно-амплітудних детекторах зміна частоти сигналу перетворюється в зміну його амплітуди. А потім цей амплітудно-частотно-модульований сигнал детектується АД. У частотнофазових детекторах зміна частоти ЧМ-сигналу перетворюється у зміну фазового зсуву між двома напругами й надалі детектується ФД. У частотно-імпульсних детекторах ЧМ-сигнал перетворюється в один із різновидів імпульсної модуляції, наприклад ЧІМ. Частота імпульсів надалі може підраховуватись лічильником.
Роботу схеми ілюструє рис. 15.12, на якому зображені криві напруги на виходах АД, пропорційні резонансній кривій контурів (штрихова лінія), та крива сумарної напруги на виході
Детекторна характеристика розглянутого ЧД (рис. 15.12) за постійної амплітуди вхідного ЧМ-сигналу залежить від частот настройки та еквівалентної добротності контурів ![]() ![]() Частотний детектор із двома розстроєними контурами має досить високі якісні показники, але він складний для виготовлення та настройки, тому він застосовується в частотно-селективних колах на основі монолітних фільтрів (RС, п'єзоелектричних, п'єзокерамічних тощо) у складі багатофункціональних мікросхем. Частотно-фазові детектори. До даного типу належить балансний детектор із двома взаємно зв'язаними контурами, що настроєні на середню частоту ЧМ-сигналу (рис. 15.13). У цій схемі зміна частоти перетворюється у зміну фазового зсуву між напругами на першому та другому контурах. Ці дві напруги подаються на діоди фазового детектора, що побудований за типом схеми на рис. 15.9. Напруга
Векторні діаграми напруг Розглянутий ЧД, який звичайно називають частотним дискримінатором, завдяки високим якісним показникам та простоті регулювання при експлуатації, знайшов широке застосування для детектування аналогових ЧМ-сигналів та в системах автоматичного підстроювання частоти. Недоліком як цієї схеми, так і схеми ЧД із розстроєними контурами є чутливість до паразитної амплітудної модуляції. Тому для її ослаблення перед ЧД вмикають амплітудний обмежувач. Детектування ЧМ-сигналу за наявності завад. Адитивна завада під час детектування ЧМ-сигналу впливає на вихідний детектований сигнал Розглянемо найпростіший випадок. Нехай сигнал і завада - гармонічні коливання з амплітудами
Практично в системах зв'язку з ЧМ завжди має місце
де Якщо на вході ЧД діє не одна гармонічна завада з частотою Подібна картина має місце й у випадку дії завади у вигляді флуктуаційного шуму з рівномірною спектральною густиною потужності. Згідно з виразом (15.19) на виході ЧД амплітуди спектральних складових шуму будуть тим більші, чим далі вони відстоять від частоти переносника. Оскільки амплітудний спектр завади на виході ЧД зростає в міру збільшення частоти лінійно, то спектральна густина потужності шуму на виході ЧД зростає в разі збільшення частоти квадратичне. Так, якщо підвищити частоту з 500 до 5000 Гц (у десять разів), спектральна густина потужності шуму на виході ЧД збільшиться в сто разів. Цю особливість шуму на виході ЧД завжди враховують у системах зв'язку з ЧМ. З рівняння (15.19) випливає також, що ЧД (сумісно з амплітудним обмежувачем) мають властивість подавляти слабкі завади
13.6. ДЕТЕКТУВАННЯ ІМПУЛЬСНИХ ТА ЦИФРОВИХ ВИДІВ МОДУЛЯЦІЙ
Однією з особливостей розглянутих у § 3.6 імпульсних видів модуляцій (АІМ, ЧІМ, ШІМ і ФІМ) є наявність в їхньому спектрі складових модулюючого сигналу
Якщо щілинність імпульсів велика ![]() ![]()
де У спектрі ФІМ-сигналів рівень частотних складових модулюючого сигналу незначний і, крім того, він залежить від максимальної частоти модуляції. Тому детектування ФІМ-сигналів фільтром нижніх частоті нераціональне. Сигнали з ФІМ спочатку перетворюють в АІМ- чи ШІМ-сигнйли, котрі потім детектуються ФНЧ. Але для такого перетворення необхідна тактова синхронізація. Введення додаткової схеми тактової синхронізації дещо ускладнює детектор. Для підвищення завадостійкості всіх видів імпульсних модуляцій, крім АІМ, перед детектуванням здійснюється повна регенерація сигналу, тобто відновлення форми імпульсів. З цією метою, наприклад, провадиться двостороннє обмеження імпульсів на рівнях, близьких до половини амплітудного значення (рис. 15.15). Це набагато зменшує вплив значних за амплітудою зосереджених за часом імпульсних завад. Після обмежувача можуть мати місце хибні імпульси, але їх амплітуда не перевищує амплітуду сигналу (рис. 1515) Усувається також флуктуаційний шум за умови, що амплітуда імпульсів перевищує більше ніж удвічі середньоквадратичне значення шуму. Шум впливає тільки на положення передніх та задніх фронтів Імпульсів (деякий зсув за часом). Але після ФНЧ ці спотворення фронтів та хибні імпульси мають значно менший вплив на демодульований сигнал Можливість регенерації форми імпульсів є особливо важливою в системах зв'язку де застосовуються кілька проміжних пунктів приймання-передавання, наприклад, у радіорелейних системах. Регенерація Імпульсів у кожному проміжному пункті запобігає накопиченню завад на Інтервалах між пунктами, що підвищує завадостійкість.
Структурні схеми імпульсних детекторів зображені на рис. 15.16. Регенерація імпульсів виконується АО. При детектуванні сигналів із цифровою модуляцією (маніпуляцією) необхідно виходити з того, що цей вид модуляції є окремим випадком аналогової модуляції, тому для детектування цифрових видів модуляції можуть бути використані всі раніше розглянуті детектори. Але дискретний характер вхідних модулюючих сигналів та невисокі вимоги до відновлення форми демодульованих сигналів дають можливість знизити вимоги й до лінійності детекторної характеристики. Крім того, якщо виходити із загальної задачі прийому дискретних (цифрових) сигналів (необхідно виявити чи розрізнити сигнали), нераціонально розглядати окремо особливості їх детектування. Адже навіть ідеальне детектування ще не означає, що буде забезпечена висока якість демодуляції, оскільки детектор є тільки частиною демодулятора, роботу якого необхідно розглядати комплексно. Таке комплексне розв'язання задачі демодуляції характерне для теорії завадостійкості прийому. Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.047 сек.) |