Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РФ

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

Кафедра РТС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отчет по лабораторной работе

«Детектирование амплитудно-модулированных

сигналов»

по дисциплине «Радиотехнические  цепи и сигналы».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Йошкар-Ола

2002

Цель работы: изучение процесса детектирования амплитудно-модулированных сигналов, методов расчета и экспериментального определения характеристик  и параметров амплитудных детекторов.

Задание.

1). Исследование статической детекторной  характеристики.

2). Исследование динамической детекторной  характеристики последовательного  детектора.

3). Исследование работы параллельного  детектора.

Краткие теоретические сведения.

Назначение детекторов и предъявляемые  к ним требования.

Детектированием называется процесс преобразования модулированного высокочастотного колебания, в низкочастотное колебание, повторяющее по форме модулирующий передаваемый сигнал. Устройство, в котором осуществляется этот процесс, называется детектором. Детекторы, предназначенные для преобразования амплитудно-модулированных колебаний, называются амплитудными. Форма входного и выходного колебаний в амплитудном детекторе при модуляции гармоническим сигналом показана на рисунке 1.

 

а)

б)

Рисунок 1. Преобразование сигнала в амплитудном детекторе

 

На вход детектора поступает  амплитудно-модулированный (АМ) радиосигнал, который в простейшем случае имеет вид:

. (1)

Задача детектора состоит в том, чтобы преобразовать АМ колебание в напряжение, изменяющееся по закону их огибающей, т.е. в данном случае в напряжение

.  (2)

Эта операция осуществляется цепью, состоящей  из трех основных элементов (рисунок 2): нелинейного элемента, фильтра и нагрузки.

 

Рисунок 2. Структурная  схема детектора АМ радиосигналов

 

Нелинейный элемент искажает форму  колебаний и изменяет частотный  спектр таким образом, что в составе преобразованного колебания появляется компонент с частотой, соответствующей АМ колебаний. Этот компонент тока поступает в нагрузку (активное сопротивление) и создает на ней пропорциональное напряжение. Остальные (высокочастотные) компоненты тока отводятся от нагрузки через фильтр.

Детектор радиоимпульсов может  быть охарактеризован коэффициентом  передачи . В отсутствии модуляции коэффициент передачи четырехполюсника, в соответствии с обозначениями на рисунке 1, равен

, (3)

т.е. представляет собой отношение  постоянной составляющей выходного  напряжения к амплитуде высокочастотного колебания. Зависимость называется статической детекторной характеристикой.

Отношение амплитуды низкочастотного (НЧ) колебания к максимальному  приращению амплитуды высокочастотного (ВЧ) колебания , называется коэффициентом передачи детектора для модулированного сигнала, т.е.

.  (4)

Выражение (4) представляет собой модуль коэффициента передачи детектора. Более  полно свойства детектора характеризуется  с помощью комплексного коэффициента передачи:

,  (5)

где - фазовый сдвиг между огибающей модулированного колебания и выходным НЧ колебанием.

Детекторы обычно подключаются в качестве нагрузки к последнему каскаду усилителя  промежуточной частоты (УПЧ) и могут оказывать существенное влияние на его частотные свойства. Для оценки этого влияния вводят параметр, характеризующий свойства детектора как нагрузки. Для контуров УПЧ детектор ведет себя как элемент с комплексной проводимостью.

Входной проводимостью детектора  называют отношение амплитуд тока и напряжения первой гармоники

.  (6)

Величина  обычно мала и поэтому можно приближенно считать входную проводимость чисто активной, т.е. , а иногда вместо проводимости детектор характеризуют входным сопротивлением .

Режимы детектирования.

Рассмотренная блок-схема является общей для амплитудных детекторов всех типов. Хорошая работа любого детектора  возможна лишь при правильном выборе режима нелинейного элемента и параметров нагрузки и фильтра. Сущность процесса детектирования наиболее просто проанализировать на примере коллекторного детектора (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Коллекторный детектор.

 

Предположим, что амплитуда входного сигнала велика настолько, что, не боясь больших погрешностей в расчете, можно представить рабочий участок вольтамперной характеристики нелинейного элемента в виде кусочно-линейного.

Рисунок 4.

 

Воздействие АМ колебаний вызовет  появление в коллекторной цепи импульсов  тока, величина которых будет изменяться по закону огибающей, а угол отсечки для всех импульсов будет равен .

Рассмотрим с качественной стороны  характер изменения напряжения на коллекторной нагрузке. Каждый импульс анодного тока осуществляет заряд конденсатора C с постоянной времени , где - среднее сопротивление нелинейного элемента. В паузах между импульсами анодного тока конденсатор разряжается через сопротивление R, с постоянной времени . Сопротивление R выбирается большим, так что и изменение напряжения на нагрузке происходит по закону ломанной линии.

При соответствующем выборе постоянных времени  и можно добиться того, чтобы среднее за период высокочастотных колебаний напряжение на нагрузке (обозначим сплошной линией) достаточно точно повторяя огибающую детектируемых колебаний. Однако постоянную времени нельзя все же выбирать сколь угодно большой. При слишком большой величине конденсатор за время паузы между импульсами будет терять слишком малый заряд, в результате чего напряжение на нем не будет поспевать за огибающей.

Напряжение  на нагрузке детектора поступает на фильтр, сглаживающий ВЧ пульсации.

Для того чтобы нагрузочная цепь играла роль частотного фильтра, требуется выполнение неравенств и .

Эти условия означают, что конденсатор  практически полностью шунтирует сопротивление R для токов радиочастот (несущей) и не оказывает влияние на протекание в коллекторной цепи токов частот модуляции.

Выходное напряжение детектора

.

Знак  вызван тем, что конденсатор не может быть идеальным фильтром для ВЧ составляющих, вследствие чего они вызывают некоторые пульсации напряжения.

Амплитуды сигналов на входе и на выходе связаны прямой пропорциональностью 

.

Поэтому такой режим работы детектора  называют линейным, т.е. детектирование происходит без искажений. Однако на практике это не всегда выполнимо. Наиболее важной причиной искажений при детектировании оказывается уклонение характеристики нелинейного элемента на рабочем участке от принятой нами ломанной линии. Замена истинной характеристики на кусочно-линейную более или менее допустима при больших амплитудах детектируемого напряжения и невозможна при малых амплитудах.

ВАХ нелинейного элемента при малых  значениях амплитуды входного сигнала  должна быть аппроксимирована степенной зависимостью вида

.

Подставляя в это выражение, выражение для входного сигнала, среди всех комбинационных колебаний  выберем лишь низкочастотные составляющие

.

Выходной сигнал

.

Составляющая коллекторного тока практически не отфильтровывается конденсатором нагрузки и искажает результат детектирования. Относительная величина амплитуды тока удвоенной частоты модуляции представляет собой коэффициент нелинейных искажений . Полезный эффект детектирования пропорционален величине , поэтому детектирование АМ сигналов с малыми амплитудами называется квадратичным.

Диодный детектор.

Рассмотрим процесс детектирования с идеальным диодом.

 

Рисунок 4.

 

На схеме  - напряжение непродетектированного входного сигнала, - выходное напряжение продетектированного сигнала. Элементы и образуют низкочастотный фильтр (НЧФ), характеризующийся постоянной времени . Величина определяет частоту среза НЧФ .

Фильтр  для токов ВЧ имеет сопротивление близкое к нулю из-за большой величины емкости и почти все переменное напряжение прикладывается к диоду. Пульсации ВЧ сигнала на выходе благодаря большой величине и невелики. При малых амплитудах входного сигнала работа детектора осуществляется на начальном криволинейном участке характеристики диода.

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде выражается равенством

.

Пусть к идеальному диоду подведены  два напряжения , где . При амплитуде входного напряжения, большей постоянного напряжения, запирающего диод, т.е. при , через диод проходит ток, имеющий вид последовательности косинусоидальных импульсов с углом отсечки.

.

Угол отсечки можно найти из соотношения , где - коэффициент детектирования.

Т.к. , , то , .

Когда входной сигнал диодного детектора  снимается с колебательного контура, детектор шунтирует этот контур.

Шунтирующее действие детектора характеризуется  его входным сопротивлением. Под входным сопротивлением детектора понимается отношение амплитуды напряжения, приложенного к детектору, к амплитуде первой гармоники тока через детектор

;    ;    .

Схема с параллельным включением диода (рисунок 5), с точки зрения ее работы, мало отличается от схемы с последовательным включением.

 

Рисунок 5. Схема с параллельным включением диода.

 

Различие заключается лишь в  том, что в параллельной схеме  выходное напряжение снимается не с  конденсатора C, как это делается в последовательной схеме, а с резистора и диода. Входное сопротивление .

Схема лабораторного  стенда.

Данная лабораторная работа выполняется с помощью функционального модуля «Нелинейные цепи». Схема модуля показана на рисунке 6.

Рисунок 6.

 

Для исследования процессов в схеме детектора также используются осциллограф и генератор Г4-102. Цепь электрической схемы устройства собирается с помощью перемычек, соединяющих соответствующие коммутационные гнезда.

Структурная схема.

 

 

 

 

Рисунок 7.

 

 

 

 

 

Практическая часть.

 

1. Сняли зависимость постоянного напряжения на выходе последовательного детектора от напряжения сигнала на входе для двух сочетаний значений сопротивлений нагрузки и емкостей. Зависимость сведена в таблицу 1 и показана на рисунке 1.

                                                         Таблица 1.

R4-C8	Um, B	0,1	0,2	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5
	Ud, B	0,021	0,115	0,3	0,34	0,44	0,6	0,66
R3-C4	Um, B	0,1	0,2	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5
	Ud, B	0,082	0,205	0,32	0,43	0,14	0,21	0,23

 

Рисунок 1 . Статические детекторные характеристики.

 

2. Сняли зависимость выходного НЧ напряжения от коэффициента модуляции для двух сочетаний значений сопротивления нагрузки и емкости. Зависимость сведена в таблицу 2 и изображена на рисунке 2.

                                                                   Таблица 2.