7. 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:

, где .

На Рис. 2.7 изображены: АМ-колебание (Рис. 2.7,а) управляющий (модулирующий) сигнал (Рис. 2.7,б), спектральная диаграмма (Рис. 2.7,в). Для детектирования АМ-сигнала необходимо осуществить перенос спектра, например, нижней боковой составляющей в область низких частот. Перенос спектра, как было рассмотрено выше, является процедурой преобразования частоты. Поэтому детектор должен содержать нелинейный элемент и фильтр низких частот. Обобщенная структурная схема детектора изображена на Рис. 2.7,г. На практике широкое распространение получило устройство детектирование, использующее в качестве нелинейного элемента диод и получившее название диодного детектора.

Схема диодного детектора представлена на Рис. 2.8. Диодный детектор эффективно работает при больших значениях входного напряжения, что позволяет при анализе его работы воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией при .

Для нормальной работы диодного детектора необходимо, чтобы:

– внутреннее сопротивление диода в прямом направлении было гораздо меньше сопротивлений нагрузки, т.е. ;

– параметры RC-цепи (фильтра низких частот) были выбраны из условия:

. (2.21)

Обычно величина C выбирается как среднее геометрическое:

.

На Рис. 2.9 представлены ВАХ диода и графики токов и напряжений в диодном детекторе при подаче на его вход немодулированного колебания

.

В исходном состоянии конденсатор C разряжен. При поступлении положительной полуволны конденсатор C быстро заряжается, т.к. . При этом положительный потенциал на емкости приложен к отрицательному электроду диода, что создает отрицательное напряжение смещения .

При условии диод запирается. При закрытом диоде происходит разряд конденсатора через сопротивление , так как сопротивление закрытого диода гораздо больше . В силу условия разряд происходит медленно и при диод открывается и процесс повторяется. Таким образом, напряжение на выходе детектора (оно же напряжение на конденсаторе) представляет собой пульсирующую около среднего значения (Рис. 2.9) и можно полагать, что при выходной сигнал детектора представляет собой постоянную величину.

Основной характеристикой детектора является коэффициент детектирования. Для рассматриваемого случая детектирования немодулированного колебания:

,

Но в соответствии с (1.16):

,

и при , как в рассматриваемом случае:

.

Таким образом, напряжение на выходе детектора:

, (2.22)

откуда следует, что получить напряжение на выходе, близкое по значению напряжению на входе можно при малых углах отсечки.

Зависимость угла отсечки от параметров диодного детектора можно получить следующим образом. С одной стороны:

(2.23)

- постоянная составляющая тока, а с другой стороны:

(2.24)

Приравнивая правые части (2.23) и (2.24) и учитывая, что и , получим следующее уравнение:

. (2.25)

Это уравнение является трансцендентным и решается графическим способом. Использовать (2.25) можно двояким образом:

– при заданных , и найти значения сигнала на выходе;

– при заданных , и найти значения и С.

При поступлении на вход детектора модулированного колебания составляющая тока будет изменяться пропорционально огибающей сигнала:

.

В соответствии с (2.23) напряжение на выходе:

(2.26)

представляет собой зубчатую кривую (Рис. 2.10).

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:

.