Фазовые детекторы (ФД)

Входное напряжение ФД определяется разностью фаз между входным и опорным колебаниями.

Так же как и в случае преобразования частоты математической основой ФД является перемножение сигналов входного и опорного. Поэтому схемотехника ФД похожа на схемотехнику смесителей, отличия заключается лишь в фильтре который выделяет выходное напряжение. На выходе ФД устанавливают ФНЧ, в то время как в смесителе ПФ. Различают 2 основных способа построения ФД векторно-мерного типа и коммутационного типа.

Выход ФД определяется разностью вых. напряжений 2-х АД (ампл. детектор) на диодах VD1 и VD2 по выходу они (АД) включены встречно. На вход каждого АД поступает сумма сигнального и опорного колебаний. Uвых=Кад(Uvd1-Uvd2)

Проанализируем работу ФД с помощью векторной диаграммы:

Найдем Uvd1 из геометрических построений

С целью упрощения анализа считаем Uc<<Uo

Для получения аналитического выражения воспользуемся разложением в ряд функции квадратного корня.

;

Пользуясь аналогичными рассуждениями и учитывая что угол φ2 является положительным записываем

Uвых=Кад(Uvd1-Uvd2)=Кад( )=Кад

Uo>>Uc Uвых=КадUccos φ

Линейная зависимость выходного напряжения от сдвига фаз наблюдается в узком диапазоне сдвига фаз (область п/2). Нулевое значение напряжения соответствует сдвигу фаз п/2. При очень большом напряжении сигнала ставиться ключ.

В выражении для выходного напряжения отсутствует выражение для Uo => от опорного напряжения не зависит эффект детектирования если опорное напряжение велико с физической точки зрения при большом значении Uo диоды ведут себя как электронные ключи, поэтому независимо от уровня опорного напряжения ключ может находиться в открытом или закрытом состоянии => в схеме диоды заменяют на электронные ключи – осуществляется переход к схеме коммутационного ФД.

Опорный сигнал в виде последовательных импульсов управляет электронными ключами, сигнальные колебания поступают на сигнальные входы ключей в противофазе (так же как и в предыдущей схеме) вых. напряжение выделяется с помощью ФНЧ. Покажем что зависимость Uвых от сдвига фаз φ имеет такой же вид что и детекторная характеристика предыдущей схемы.

При φ=0 постоянная составляющая токов i1 и i2 принимает макс значение, поэтому макс значение принимает Uвых т.к. именно постоянная составляющая выделяется на выходе схемы.

При φ=п\2 i1 и i2=0 => Uвых=0

Результаты анализа соответствуют ФД предыдущей схемы.
Коммутационная схема проще реализуется в микросхемном но имеет меньшее быстродействие по сравнению с векторно-мерной.

38. Частотные детекторы (ЧД)

ЧД как и ФД(фазовый детектор) является детектором угловой модуляции для всех детекторов данного класса необходимо обеспечить постоянство уровня детектирования сигнала на входе детектора, поэтому как правило сигнал перед угловым детектированием пропускают через амплитудное детектирование, либо применяют спец схемы которые не чувствительны к изменению уровня входного сигнала.

ЧД строятся по одному из 3х принципов:

1. Вх сигнал предварительно преобразуется в АМ сигнал, а затем осуществляется его амплитудное детектирование. Закон АМ(амплитудной модуляции) соответствует ЧМ.

2. Вх сигнал преобразуется в фазово-модулированный после чего осуществляется фазовое детектирование.

3. Вх сигнал преобразуется в импульсный после чего осуществляется обработка импульсного сигнала.

ЧД с промежуточным преобразованием промежуточного сигнала в Амодулированный.

Детектор содержит линейный 4х полюсник. АЧХ которого должна быть линейной.

Т.к. контур расстроен относительно центральной частоты сигнала то Uвых контура меняется во времени по амплитуде.

Достоинства: низкая стоимость.

Недостатки: большие нелинейные искажения, с целью их уменьшения используют балансные схемы где вместо 1 контура применяется 2 АД

Колебательные контуры расстроены симметрично относительно центральной частоты спектра сигнала. Uвых схемы является разностью выходных напряжений АД VD1 и VD2

Меняя частоты настройки колебательных контуров и их добротности можно обеспечить более высокую степень линейности по сравнению с предыдущей схемой. Недостатком является сложная регулировка.

ЧД с промежуточным преобразованием сигнала в фазомодулированный

Здесь ЧД содержит линейны 4х полюсник ФЧХ которого линейна.

Линия задержки φ=ωτ обладает линейной ФЧХ.

Для получения высокой крутизны преобразования изменение частоты в изменение фазы, необходимо иметь большую величину задержки.

Т.к. реализация линии задержки с большой τ затруднительна то используют аппроксимирующие 4х полюсники.

Если мгновенная частота сигнала совпадает с частотой настройки контура то сдвиг фазы вносимой в контур равен нулю то в этом случае на ФД поступают 2 колебания со сдвигом фаз на 90 градусов. => выходное напряжение ФД равно нулю.

При изменении частоты вх сигнала по отношению к частоте настройки контура появляется дополнительный сдвиг фазы, что отражается в выходном напряжении ФД.

В полосе пропускания колебательный контур ведет себя как линия задержки.

Нелинейные искажения меньше т.к. ФЧХ имеет большую степень линейности чем АЧХ контура. ( ну и тупняк)

ЧД с импульсным преобразованием сигнала

Есть несколько вариантов построения ЧД. Например по принципу электронно-счетного частотомера.

Рассмотрим простейший вариант реализации схемы:

Чем выше частота следования коротких импульсов (длительность и амплитуда постоянны) тем больше составляющая этой последовательности, которая выделяется ФНЧ.

Достоинства: малое нелинейное искажение.

Недостатки: малое быстродействие, малый частотный диапазон.

39 Воздействие помех на ЧД. Схемы порогопонижения.

Простейшая ситуация когда и помеха и сигнал не модулированы когда помеха меньше сигнала.

Т.к. воздействие помех на сигнал приводит к тому что суммарный вектор Uвх детектора отличается от вектора сигнала и по величине и по фазе (т.к. устанавливаются амплитудные ограничители изменения уровня вх. сигнала), можно при анализе не учитывать, рассмотрим изменение фазы вх. сигнала φ.

φ = , Uп<<Uс

Определим то изменение по частоте, которое вносится в сигнал на линии помехи.

Максимальное отклонение частоты дивиации

Наличие гармонической помехи приводит к возникновению помехи на выходе ЧД, она является гармонической с частотой и уровень помехи определяется и величиной

При воздействии суммы малых гармонических помех (уровни помех одинаковы) на выходе также формируется сумма, однако уровень помех растет с увеличением расстройки помехи относительно сигнала.

Если вместо совокупности гармонических помех подать на вход белый шум то на выходе будет шум но спектральная плотность мощности не равномерна, она возрастает с ростом частоты.

Чтобы обеспечить постоянное отношение сигнал\шум для НЧ и ВЧ компонент сигнала на передатчике вводят предискажение в модулирующий сигнал, уровень ВЧ компонентов искусственно завышают тогда на выходе демодулятора приемника отношение сигнал\шум и для НЧ и ВЧ компонентов одинаково, чтобы устранить искажение в полезном сигнале после демодулятора ставят корректирующий ФНЧ который занижает уровень ВЧ компонентов, отношение сигнал\шум остается постоянным.

Такие предискажения используются в ЧМ радиовещании.