Сущность демодуляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Демодуляция или детектирование -- процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала.

Для передачи энергии электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания низкой частоты используются лишь для изменения высокочастотных колебаний, или, как принято говорить, для их модуляции. На принимающей станции из этих сложных колебаний с помощью специальных методов снова выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.

Амплитудный детектор (демодулятор)

При обсуждении видов модуляции принимаемого сигнала, применяющихся в наземных системах мобильной радиосвязи, мы выяснили, что амплитудная модуляция не применяется в системах наземной радиосвязи. Амплитудную модуляцию применяют только в диапазоне частот 118...136 МГц для связи с самолётами. В цифровых системах наземной мобильной радиосвязи амплитудные детекторы (демодуляторы) не применяются.

Тем не менее для полноты картины рассмотрим схему амплитудного детектора, позволяющего превратить значения амплитуды высокочастотного сигнала в низкочастотные колебания. Первоначально амплитуду высокочастотного колебания выделяли на электронных приборах с нелинейной вольтамперной характеристикой, таких как полупроводниковые диоды и транзисторы. Требующаяся для амплитудного детектирования вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейного элемента приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента, необходимая для детектирования амплитудной модуляции

детектирование колебание амплитудный

При прохождении амплитудно-модулированного сигнала через электронный прибор с вольтамперной характерестикой, приведенной на рисунке 1, в выходном токе появляется составляющая, пропорциональная амплитуде входного сигнала. Процесс детектирования на электронном приборе с подобной вольтамперной характеристике поясняется на рисунке 2.

Рисунок 2. Процесс детектирования амплитудно-модулированного сигнала на линейной ВАХ

Реальные вольтамперные характеристики нелинейных элементов (таких как полупроводниковые диоды или транзисторы), применяющихся в амплитудных детекторах, значительно отличаются от требующейся ВАХ. В результате амплитудная характеристика детектора получается существенно нелинейной. У вольтамперных характеристик этих электронных приборов наблюдается ступенька в районе 0,2 ... 0,8 В. Наименьшей ступенькой обладают диоды Шоттки и обращенные диоды. Именно такие диоды и применяются в амплитудных демодуляторах. Пример вольтамперной характеристики полупроводникового диода Шоттки приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Пример принципиальной схемы амплитудного детектора, выполненного на полупроводниковом диоде, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема амплитудного детектора

В данной схеме присутствует значительное влияние выходной цепи детектора на характеристики детектирования, точка перегиба вольтамперной характеристики не совпадает с нулевым значением напряжения входного сигнала. Все это приводит к тому, что в диодной (или транзисторной) схеме амплитудного детектора при росте глубины модуляции растут нелинейные искажения. При глубине модуляции m = 0,5 нелинейные искажения достигают 10 %, а при m = 1 -- уже 25 %. График зависимости нелинейных искажений от глубины модуляции в диодном детекторе приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции в диодном детекторе

В настоящее время в качестве амплитудных детекторов обычно используются синхронные детекторы. Основным узлом синхронного детектора является аналоговый умножитель (смеситель частот). Для того, чтобы умножитель осуществил перенос спектра сигнала промежуточной частоты на нулевую частоту (осуществил амплитудную демодуляцию сигнала), нужно на второй вход аналогового умножителя подать напряжение промежуточной частоты с фазой, совпадающей с фазой принимаемого сигнала. Подробно принципы работы синхронного детектора были рассмотрены при обсуждении принципов работы приемника прямого преобразования.

В этой схеме очень важно, чтобы сигнал, поступающий на один из входов умножителя, собранного на транзисторах имел постоянную амплитуду. Только в этом случае сигнал на выходе схемы будет пропорционален амплитуде входного сигнала. Если же амплитуда сигнала на обоих входах умножителя будет изменяться, то мы получим квадратичный амплитудный детектор, сигнал на выходе которого будет пропорционален не амплитуде сигнала, а его мощности.

Для выделения опорного сигнала в современных радиоприемных устройствах применяется усилитель-ограничитель. На выходе усилителя-ограничителя формируется сигнал промежуточной частоты с прямоугольной формой и постоянной амплитудой. Этот сигнал подается на один из входов умножителя сигналов. На второй вход умножителя сигналов подается неограниченный сигнал промежуточной частоты с амплитудной модуляцией. Его уровень поддерживается на постоянном уровне системой автоматической регулировки усиления (АРУ). Структурная схема подобного амплитудного детектора приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Структурная схема амплитудного детектора, выполненного на аналоговом умножителе сигналов

Временные диаграммы сигналов на входах и выходе умножителя сигналов схемы синхронного амплитудного детектора приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. Временные диаграммы сигналов на входах и выходе умножителя

Как видно из приведенных временных диаграмм сигналов, искажения на выходе схемы отсутствуют. Пример принципиальной схемы амплитудного демодулятора, выполненного по схеме синхронного детектора, приведен на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема АМ детектора на аналоговом умножителе сигналов

В данной схеме амплитудного детектора на один вход детектора подается усиленный сигнал с амплитудной модуляцией, а на другой вход тот же самый сигнал, но ограниченный по амплитуде. В результате на выходе схемы появляется напряжение модуля входного сигнала (амплитуда входного сигнала).

Подобная схема амплитудных детекторов часто применяется в составе схемы современных радиоприемников. В качестве примера, на рисунке 9 приведена схема включения микросхемы АМ приемника TDA1072.

Рисунок 9. Схема АМ приемника на микросхеме TDA1072

В этой схеме на одном кристалле расположены все рассмотренные ранее блоки радиоприемного устройства. На входе микросхемы сигнал поступает на усилитель радиочастоты, затем он подается на балансный транзисторный смеситель. С выхода балансного смесителя сигнал через

Частотный детектор (демодулятор)

Задача выделения закона изменения частоты из принимаемого сигнала встречается очень часто. Эта задача встречается как при приеме сигналов с аналоговыми методами частотной модуляции, так и при приеме сигналов с цифровыми методами модуляции, такими как FFSK или GMSK. В данной статье не будут рассматриваться такие музейные раритеты как детектор отношений или дробный детектор. Сигнал с частотной модуляцией синусоидальным низкочастотным модулирующим сигналом описывается следующим математическим выражением:

Прежде чем перейти к конкретным схемам частотных детекторов обратимся к определению частоты:

Из этой формулы видно, что частота и фаза входного колебания жестко связаны друг с другом операцией дифференцирования (интегрирования). Для детектирования частотно-модулированных колебаний можно применить схему фазового детектора, а затем продифференцировать выходное напряжение на дифференцирующей RC-цепочке.

Структурная схема частотно-фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема частотно-фазового детектора

В данной схеме узкополосный контур производит преобразование частотно-модулированного колебания в фазо-модулированное колебание за счет фазо-частотной характеристики.

Воспользовавшись рассмотренной нами раньше принципиальной схемой аналогового умножителя сигналов, получим принципиальную схему частотного детектора.

Рисунок 2. Принципиальная схема частотно-фазового детектора

Подобные схемы фазовых детекторов широко используются в технических решениях радиоприемных устройств.

В качестве примера на рисунке 3 приведена схема частотно-фазового детектора, реализованного на отечественной микросхеме 174УР3.

Рисунок 3. Частотно-фазовый детектор на микросхеме 174УР3

В настоящее время на подобном принципе работает большинство микросхем однокристальных ЧМ приемников. В качестве примера можно назвать микросхемы К174ХА26, MC3361, MC3371, SA616. Эти же микросхемы могут применяться и в составе более качественной аппаратуры при условии реализации первых каскадов приемника на более высококачественной элементной базе. Пример применения микросхемы SA616 в качестве тракта второй промежуточной частоты был рассмотрен нами в статье УПЧ ЧМ

В ряде случаев для частотного детектирования применяется схема фазовой автоподстройки частоты. Она позволяет при малых затратах получить высокие качественные параметры частотного детектора в целом. Структурная схема подобного детектора приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема частотного детектора реализованного на ФАПЧ

В данной схеме генератор подстраивается под частоту входного сигнала. На выходе фазового детектора вырабатывается сигнал ошибки подстройки частоты. Этот сигнал пропорционален девиации частоты входного частотно-модулированного сигнала. Фильтр низких частот определяет полосу захвата цепи ФАПЧ.

Фазовый детектор (демодулятор)

Для определения фазы неизвестного колебания требуется точка отсчета, которая будет определять начало координат. Обычно в качестве такой точки отсчета выступает опорное синусоидальное колебание, вырабатываемое местным генератором (гетеродином). При этом для выделения фазы можно воспользоваться тригонометрическим тождеством:

(1)

При условии равенства частот принимаемого сигнала и гетеродина формула преобразуется к виду:

(2)

Напряжение с удвоенной частотой принимаемого сигнала (удвоенной промежуточной частотой) на выходе фазового детектора легко подавляется фильтром низких частот и в дальнейшем анализе не учитывается:

(3)

Учитывая, что синус малого угла равен значению самого угла, на выходе аналогового умножителя сигналов присутствует напряжение, пропорциональное фазе принимаемого сигнала. Иначе говоря, в качестве фазового детектора может выступать аналоговый умножитель сигналов, к одному из входов которого подключен генератор с частотой, равной частоте принимаемого сигнала.

К сожалению, из той же формулы напряжения на выходе умножителя сигналов видна зависимость выходного напряжения от амплитуды входного сигнала и сигнала местного генератора (гетеродина). Поэтому перед детектированием фазомодулированного сигнала в фазовом детекторе напряжение входного сигнала должно быть ограничено по амплитуде.

В ряде схем фазовых детекторов в результате ограничения или по ряду других причин (синтезатор частот, умножитель тактовой частоты) применяются сигналы с логическими уровнями. В этом случае в качестве цифрового фазового детектора можно применить схему "исключающего или".

Структурная схема фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема фазового детектора

Форма напряжения на выходе ограничителя амплитуды приближается к прямоугольной форме сигнала со скважностью равной двум. Напряжение (или ток) на выходе местного генератора (гетеродина) тоже стараются получить прямоугольной формы. Для более точного формирования прямоугольного сигнала гетеродина с равной длительностью положительного и отрицательного значения достаточно часто применяют генератор с удвоенной частотой. Затем понижают ее на двоичном делителе (T-триггере). В результате формула (3) преобразуется к следующему виду:

(4)

Линейный участок передаточной характеристики фазового детектора в результате применения прямоугольных колебаний расширяется до диапазона . Пример передаточной характеристики фазового детектора AD9901 приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Передаточная характеристика фазового детектора AD9901

Отклонение передаточной характеристики от линейного закона в микросхеме вызвано ее конечным быстродействием.

Размещено на Allbest.ru