Детектор АМ, ЧМ, CW и SSB сигналов (многомодовый детектор) На заре радиолюбительства наиболее популярной была CW модуляция. Телеграф долгое время находился на пике своей популярности. Но стремление общаться посредством речи, было естественным желанием человека – как результат не замедлила появиться АМ модуляция. А далее всё «пошло-поехало» как на дрожжах – появилась ЧМ модуляция (более помехоустойчивая, да и несколько менее энергозатратная – к тому же, и сам ЧМ модулятор несколько проще, чем АМ), затем SSB и её разновидности (выигрыш в мощности уже составил 16 раз!), далее появились цифровые виды связи и многие другие (типа «экзотических» шумоподобных сигналов, где модуляция производится с помощью кодирования-декодирования). Вместе с появлением различных видов модуляции создавались и соответствующие типы демодуляторов (детекторов этих видов сигналов). И хотя среди радиолюбителей на данный момент времени наиболее популярными являются виды модуляций типа SSB (CW) и PSK (цифровая), всё же нет-нет, да и появляются в эфире станции, работающие в АМ и ЧМ режимах. Таковые можно встретить не только на УКВ диапазонах, но и на КВ, например, на десятиметровом, а также в СВ участке. А потому желание иметь в своём приёмнике детектор, способный детектировать все вышеуказанные типы модуляций, думаю, не будет казаться таким уж неестественным. В этой статье рассказывается о несложном детекторе АМ, ЧМ, CW, SSB сигналов, причем качество детектирования всех вышеуказанных типов сигналов довольно высокое. На рисунке №1 показана принципиальная схема детектора АМ, ЧМ, CW, SSB сигналов пассивного типа (на детектор не подаётся напряжение питания) – в некоторой литературе детекторы такого типа называют, в противоположность сказанному мной, активными в режиме детектирования ЧМ сигналов по причине управления процессом детектирования самим же сигналом, но, на мой взгляд, из-за отсутствия питающего напряжения на каскаде его всё же следует именовать, именно, пассивным (ибо тогда и кольцевой диодный балансный смеситель тоже следует называть активным – по аналогии, а это не так). Непосредственно детектор выполнен на полевом транзисторе VT2. Напряжение промежуточной частоты 5 МГц подаётся на вход детектора (С3) амплитудой до 0,5 вольта (не более, иначе неизбежны нелинейные искажения!). Детектирование АМ сигналов (выключатель SA1 в режимах детектирования АМ и ЧМ сигналов выключен) происходит на pn-переходе транзистора (по типу диодного детектора – однополупериодная схема). Коэффициент передачи такого детектора зависит практически линейно от подводимого напряжения и изменяется от 0 до 0,9 при изменении напряжения от 0 до 0,3 вольта. Контур L2, C7, установленный в затворной цепи транзистора, настроен на промежуточную частоту 5МГц. В режиме детектирования он не представляет большого сопротивления для звуковой частоты, а для частоты ПЧ является дополнительным элементом селекции сигнала. Фильтр L3, C8 отсеивает сигналы ПЧ, в результате на нагрузке R6 выделяется сигнал звуковой частоты. В режиме детектирования ЧМ сигналов параметры уровней рабочих сигналов те же. В этом режиме детектирования контур L2, C7 играет важную роль. Поскольку этот контур почти не нагружен (сопротивление затворной цепи полевого транзистора очень высоко), его добротность весьма высока. Через ёмкость конденсатора С4 на него поступают колебания промежуточной частоты. Колебания ПЧ на этом контуре будут сдвинуты по фазе на 90 градусов относительно входной частоты ПЧ (5МГц), причина сдвига – проход через конденсатор С4. Напряжение на контуре L2, C7 будет управлять проводимостью транзистора. Когда входной сигнал не модулирован по частоте, транзистор закрыт, и напряжение на выходе отсутствует. С изменением частоты входного сигнала в ту или другую сторону фазовый сдвиг между сигналами не будет равен 90 градусов и на выходе возникнет напряжение – будет выделяться модулирующий сигнал. Крутизна амплитудно-частотной характеристики ЧМ детектора зависит от добротности контура L2, C7. При шунтировании контура резистором она уменьшится. В режиме детектирования сигналов SSB и CW на каскад, выполненный на транзисторе VT1, подаётся питающее напряжение +12 вольт (через SA1). Этот каскад представляет собой опорный кварцевый генератор с включением кварца между базой и коллектором транзистора. Такой генератор рассчитан на работу с высокоомной нагрузкой. Через конденсатор связи С5 сигнал ОКГ частотой 5МГц подаётся на затвор транзистора VT2. При смешивании с сигналом ПЧ на выходе детектора выделяется сигнал звуковой частоты (при CW сигнале – сигнал биений). Катушка L1 служит для установки более точной частоты генерирования ОКГ. Данный детектор использовался мной в приёмнике на частоту 29МГц и показал хорошие результаты. Непосредственно к выходу детектора подключался транзисторный усилитель низкой частоты, выполненный на пяти транзисторах КТ201 и КТ203 (выходной каскад – последовательно-параллельная бестрансформаторная схема). На рисунке №2 показан детектор сигналов АМ, ЧМ, SSB, CW аналогичный вышеописанному, но, несмотря на внешнюю схожесть, он имеет и существенные отличия (активный). Так, сам детектор построен на транзисторном каскаде, выполненном по каскодной схеме, в которой оба транзистора включены по схеме с общим затвором. На первом транзисторе (VT2) выполнен непосредственно детектор, а на втором (VT3) – предварительный усилитель низкой частоты. Работа данного детектора аналогична вышеописанному, однако он обладает ещё и усилением (Ку не менее 50-ти по напряжению). Данный детектор проверялся в приёмнике на 29МГц, выполненном на микросхемах. Непосредственно к выходу детектора подключались УНЧ, реализованные на микросхемах К174УН14 (зарубежный аналог - TDA-2003), либо К174УН7. Микросхемы при этом развивали свою полную паспортную мощность. К выходу детектора можно подключить непосредственно и высокоомный телефон, например, ТОН-2 или ТА-56 (сопротивление катушки 1,6 кОм), что удобно при настройке. Результат во всех режимах детектирования был хорошим. Катушки L1 и L2 в обеих схемах выполнены на каркасах диаметром 5мм внавал. L1 намотаны проводом ПЭЛ-0,31 и имеют по 41 витку, L2 – имеют по 31 витку такого же провода. Катушки имеют подстроечные ферритовые сердечники. L3 (на обоих схемах) – стандартный дроссель ДМ-0,4 индуктивностью 20 мкГн. Его можно изготовить и самостоятельно, намотав на резисторе МЛТ-0,5 сопротивлением 1мОм, 130 витков провода (внавал) ПЭЛ-0,1. Настройку детекторов начинают в режиме ЧМ. На вход детекторов подают сигнал с ГСС частотой 5МГц, амплитудой 0,1…0,5 вольта и модулированный по частоте тональным сигналом 1кГц. К выходам детекторов подключают усилители низкой частоты (ко второму варианту детектора можно непосредственно подключить высокоомные телефоны). Подстраивая сердечник катушки L2, добиваются качественного приёма сигнала на выходе (на слух). Во втором варианте детектора следует ещё подобрать и сопротивление резистора R5 по максимуму сигнала на выходе УНЧ. Настройку в режиме детектирования SSB (CW) ведут путём подстройки сердечника катушки L1 до получения качественного сигнала на выходе УНЧ (переключатель SA-1 замкнут) – частота опорного генератора при этом оказывается за нижним скатом частотной характеристики фильтра основной селекции приёмника. Естественно, при этом подаваемый на вход детектора сигнал должен быть однополосным (можно подать сигнал с трансивера, уменьшив его выходную мощность до минимума). В режиме АМ настройка детектора не требуется – на вход от ГСС подаётся АМ модулированный сигнал и проверяется его качество на слух. Рубцов В.П. UN7BV. 05.07.2011г. Астана. Казахстан.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ.СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 483592 3 Л ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМ ститут А сГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к радиотехнике, Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и уменьшениеуровня нелинейных искажений, Для достижения цели в демодулятор введеныдетектор 7 экстремальных отсчетов,блок 8 выборки-хранения, алгебраический сумматор 9, инвертор 10, корректирующий фильтр 11, усилитель-ограничитель 12, дополнительный фильтр нижних частот 13 и источник опорногонапряжения 14, В данном демодулятореобеспечивается работа на небольшомучастке АЧХ фильтра нижних частот 13при значительных девиациях частотывходного сигнала. Это обуславливаетвысокую линейность дискриминационнойх-ки демодулятора и как следствиезначительное снижение уровня нелинейных искажений. Повышение помехоустойчивости обусловлено, тем, что при появлении и увеличении начальной частотной расстройки не происходит увеличение петлевого усиления и эквивалентной шумовой полосы, что обычноприводит к ухудшению фильтрующихсвойств. 1 ил,Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано дляприема частотно-модулированных (ЧМ)сигналов5Цель изобретения - повьшение помехоустойчивости и уменьшение уровнянелинейных искажений.На чертеже представлена Функциональная электрическая схема предл га Оемого демодулятора ЧМ-сигналов.Демодулятор ЧМ-сигналов содержитпервый перемножитель 1, первый Фильтрнижних частот (ФНЧ) 2, второй перемножитель 3, второй фНЧ 4, перестраиваемый генератор 5, Аазовращатель 6на 90 О, детектор 7 экстремальных отсчетов, блок 8 выборки-хранения,алгебраический сумматор 9, интегратор 10, корректирующий Фильтр 11,усилитель-ограничитель 12, дополнительный ФНЧ 13 и источник 14 опорного напряжения,Демодулятор ЧМ-сигналов работает,следующим образом. 25В перемножителях 1 и 3 и ФНЧ 2и 4 осуществляется выделение квадратурных составляющих входного сигнала на разностной частоте: Ды= ив ю где ы, - мгновенное значениечастоты входного сигнала; ю- частота колебания перестраиваемого генератора 5.Полосы пропускания первого 2 ивторого 4 ФНЧ, имеющих крутые скатыамплитудно-частотных характеристик,35выбираются исходя из ширины спектравходного сигнала демодулятора и сучетом нестабильной его частоты ичастоты колебания перестраиваемогогенератора 5, Детектор 7 экстремальных отсчетов йиксирует моменты времени, соответствующие пересечениям нулевого уровня с положительной производной выходным сигналом второго ФНЧ4, и Формирует кратковременные импульсы, соответствующие по временному положению экстремальным отсчетамвыходного сигнала дополнительногоФНЧ 13. Усилитель-ограничитель 12стабилизирует амплитуду сигнала с вы 50хода первого ФНЧ 2. Вследствие этогоамплитуда сигнала на выходе дополнительного ФНЧ 13 определяется толькосоотношением ды и его частоты среза,которая выбирается существенно меньшечастот среза первого 2 и второго 4ФНЧ. В блоке 8 выборки - храненияосуществляется синхронное детектирование амплитуды выходного сигналадополнительного ФНЧ 13. Напряжениена выходе источника 14 опорного напряжения равно полон 1.не величиныуровня ограничения уси;".ителем-ограничителем 12, вследствие чего полярность и уровень напряжения на выходеалгебраического сумматора 9 соответствуют направлению и степени отклонения величины ам от значения ам)выбранного на скате амплитудно-частотной характеристики дополнительного ФНЧ 13. За счет образованной через интегратор 10 петли автоматического регулирования частота перестраиваемого генератора 5 отслеживаетизменение частоты входного сигналасо смещением Лм т.е, м,. = м, ++ ас, Напряжение на выходе интегратора 10 через корректирующий Фильтр11 поступает на выход демодулятора,В предлагаемом демодуляторе обеспечивается работа на небольшом участке амплитудно-частотной характеристики дополнительного ФНЧ 13 при значительных девиациях частоты входногосигнала. Это обуславливает высокуюлинейность дискриминационной характеристики демодулятора и как следствие значительное снюкение уровнянелинейных искажений. Астатическиесвойства демодулятора обеспечиваютсяприменением в качестве блока 10 именно интегратора, а не ФНЧ (различиепроявляется, например, при замиранияхсигнала или кратковременных его исчезновениях) . Большая крутизна скатов амплитудно-частотных характеристик первого и второго ФНЧ 2 и 4 обеспечивает сохранение высокой помехоустойчивости предлагаемого демодулятора при появлении на его входе помех от соседних каналов приема, Повышение помехоустойчивости по сравнению с известным демодулятором обусловлено тем, что и предлагаемом демодуляторе при появлении и увеличении начальной частотной расстройкине происходит увеличение петлевогоусиления и эквивалентной шумовой полосы, что обычно приводит к ухудшениюфильтрующих свойств,Формула изобретенияДемодулятор ЧМ-сигналов, содержащий последовательно соединенные первый перемножитель и первый Аильтр нижних частот, последовательно со1483592 6 Составитель В. ЦветковТехред Л,Олийнык Корректор Э, Лончакова Редактор О. Спесивых Заказ 2849/53 Тираж 884 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета.по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,70 единенные второй перемножитель и второй фильтр нижних частот, последовательно соединенные перестраиваемыйгенератор и фазовращатель на 90,при этом первые входы первого и второго перемножителей являются входомдемодулятора ЧМ-сигналов, выход фазовращателя на 90 соединен с вторымвходом первого перемножителя, а выход перестраиваемого генератора -с вторым входом второго перемножителя, отличающийся тем,что, с целью повышения помехоустойчивости и уменьшения уровня нелинейьх искажений, введены последовательно соединенные детектор экстремальных,отсчетов, блок выборки-хранения,алгебраический сумматор, интегратори корректирующий фильтр, последовательно соединенные усилитель-ограничитель и дополнительньй фильтр нижних частот, а также источник опорного напряжения, при этом вход усилителя-ограничителя соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход детектора экстремальных отсчетов соединен с выходом второго фильтра ниж них частот, выход дополнительногофильтра нижних частот соединен с информационным входом блока выборки- хранения, выход источника опорного напряжения подключен к вычитающему входу алгебраического сумматора, а выход интегратора - к управляющему входу перестраиваемого генератора, при этом выход корректирующего фильтра является выходом демодулятора 20 ЧМ-сигналов
Заявка
4265266, 18.06.1987
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
МАРТИРОСОВ ВЛАДИМИР ЕРВАНДОВИЧ
МПК / Метки
Код ссылки
Демодулятор чм-сигналов
Похожие патенты
15. В течение одного периода модулирую.щей частотыподсчет числа импульсов в пачке и, соответственно, опрос счетчика импульсов 9 производится многократно, Это достигаетсл выбором разностной частоты. Таким образом по мере изменения частоты ЧМ сигнала происхо.дит изменение амплитулты сигнала на выходе устройства двоичного ЧМ демодулятора, Резульсчетчика деления ойорцой частоты соединен свторыми входами первой и второй схем совпа.деция. Единичный выход триггера пачки под.ключен через второй генератор одиночного цм.пульса к входу установки в ноль счетчика им. 5пульсов, а нулевой выход триггера пачки соединен с входом накапливающего регистра и свторыми входами третьей и четвертой схем совпадения, выходы которых подкачены к еди"ничному и...
16 появляетл ся сигнал единичного уровня, которыйрез приводит к отключению одного преобие разователя из группы работающих преобразователей снятием импульсов упкий 20 равления с входа выпрямителя 1, переводя его в состояние готовности коперативному включению, при этомконденсатор фильтра 2 указанного блока остается заряженным. Одновременно25 отключается еще один преобразователь,находившийся до этого в состоянии готовности к включению, посредствомразмыкания силовых ключей 5 и 6,Здесьг. 40, в 0 - величины, расширяющие диаЗО пазон, характеризуемый постоянствома структуры силовой схемы статическихпреобразователей. Они задаются напряжением смещения Ц подаваемым навы- прямой вход первого компаратора 15ав- и инверсный вход второго...
На процесс измерения.В течение времени переключения, которое всегда является конечной величиной, измерение практически невозможно, так как появляется неопределенность режима работы блока деления. Цель изобретения - повышение точности измерения частоты. Цель достигается тем, что в устройство для измерения частоты амплитуды гармонического сигнала, содержащее три поснедовательно.соединенных с входом устройства блока дифференцирования и последовательносоединенные первые блок деления и.блок извлечения квадратного корня,введены последовательно соединенныепервый блок умножения, первый. блоквычитания, второй блок деления ивторой. блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом измеряемой амплитуды,...
Детектирование ЧМ-сигналов может производиться с помощью описанных выше схем АМ-детекторов после преобразования изменения частоты в изменение амплитуды.
Для этого преобразования могут использоваться любые цепи с линейно изменяющейся АЧХ, например, \(LC\)-контур, расстроенный относительно частоты ЧМ сигнала так, что середина левого или правого ската его АЧХ совпадает с несущей частотой сигнала. Упрощенная схема и диаграммы работы ЧМ-детектора с такой цепью приведены на рис. 3.6-8.
Рис. 3.6-8. Упрощенная схема ЧМ-детектора с одиночным контуром (а) и диаграммы его работы (б)
Для улучшения характеристик детектора вместо одиночного контура может использоваться сбалансированная пара \(LC\)-контуров (рис. 3.6-9). Детектор содержит два резонансных контура, два диода и два фильтра НЧ, выполненных на \(RC\)-цепочках. Резонансные контуры несколько расстроены относительно несущей частоты ЧМ сигнала.
Рис. 3.6-9. Упрощенная схема ЧМ-детектора с двумя контурами (а) и диаграммы, поясняющие его работу (б)
Описанные простейшие решения ЧМ-детекторов имеют достаточно ограниченное применение. Шире известны т.н. детектор-дискриминатор и дробный детектор (детектор отношений ), в них схемы включения входных контуров и детектирующих диодов несколько сложнее, но обеспечивают лучшие характеристики.
Пример схемы частотного детектора-дискриминатора (также его иногда называют дифференциальным детектором ) приведен на рис. 3.6-10.
Рис. 3.6-10. Схемы детектора-дискриминатора (а) и векторные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)
В этой схеме имеется два резонансных индуктивно связанных контура \(L1C1\) и \(L2C2\), которые настраиваются точно на частоту сигнала ПЧ. Напряжения, снимаемые с противоположных ветвей контура \(L2C2\), выпрямляются на диодах \(VD1\), \(VD2\) и затем подаются на нагрузку в виде сопротивлений \(R1\), \(R2\) (конденсаторы \(C6\), \(C7\) шунтируют нагрузку по радиочастоте, предотвращая проникновение в последующие каскады радиочастотной составляющей). При совпадении частоты входного сигнала \(U_{вх}\) с резонансной частотой контура \(L2C2\) сигнал \(U_2\), снимаемый с этого контура, на 90° опережает входной сигнал (заметим, что напряжение подводимое в среднюю точку \(L2\) равно \(U_{вх}\)). Поскольку выпрямленные напряжения \(U_{R1}\), \(U_{R2}\), действующие на резисторах \(R1\), \(R2\), пропорциональны напряжениям \(U_3\), \(U_4\) (рис. 3.6‑10б), то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности \(U_{R1}\) – \(U_{R2}\), при резонансной частоте будет равно нулю (\(U_{вых} = U_{R1} – U_{R2} = 0\)). При изменении частоты сигнала будет наблюдаться фазовый сдвиг между входным сигналом и сигналом, выделяемым на контуре \(L2C2\), отличный от 90°. Из-за этого выпрямленные напряжения \(U_{R1}\) и \(U_{R2}\) окажутся различными и на выходе детектора появится сигнал соответствующего знака и амплитуды.
Основными свойствами детектора-дискриминатора являются:
- высокая линейность передаточной характеристики, однако чувствительность к амплитудным помехам очень высока, поэтому необходимо применение ограничителя амплитуды на входе детектора;
- оба контура детектора настраиваются на частоту несущей входного сигнала;
- при равенстве частоты входного сигнала частоте настройки резонансных контуров напряжение на выходе детектора равно нулю.
Степень нелинейных искажений и крутизна характеристики детектора определяется фактором связи между контурами. В пределах заданной максимальной девиации частоты ЧМ сигнала характеристика детектора должна быть линейной. Расширить полосу пропускания (крутизна при этом будет снижаться) можно, зашунтировав один или оба контура резисторами с небольшими сопротивлениями, т.е. снизив добротности контуров.
На низких частотах (465 кГц и ниже) может применяться простой детектор-дискриминатор, схема которого приведена на рис. 3.6-11.
Рис. 3.6-11. Простой детектор-дискриминатор для низких частот (465 кГц и менее)
Работа этого детектора происходит следующим образом. Сигнал ПЧ ограничивается диодами \(VD1\), \(VD2\) и подается на последовательный колебательный контур \(L1C3\), настроенный точно на промежуточную частоту. Напряжения, снятые с конденсатора и катушки контура, выпрямляются диодами \(VD3\), \(VD4\) и в противофазе складываются на выходе. При резонансе эти напряжения равны, и выходное напряжение детектора равно нулю. При изменении частоты сигнала соотношение напряжений изменяется. Это приводит к появлению выходного напряжения соответствующего знака.
В высококачественных связных приемниках с высоким значением промежуточной частоты (более 5...9 МГц) часто применяются кварцевые-дискриминаторы. В них вместо традиционных \(LC\)-контуров используются кварцевые резонаторы на соответствующие частоты. Это позволяет добиться высокой стабильности и симметричности амплитудно-частотной характеристики детектора. Примеры таких детекторов приведены на рис. 3.6-12 и 3.6-13.
Рис. 3.6-12. ЧМ детектор с кварцевым дискриминатором
Рис. 3.6-13. ЧМ-детектор с дискриминатором на двух кварцах
В схеме детектора на рис. 3.6‑12 используется один кварцевый резонатор \(BQ1\), через который сигнал ПЧ подается на один из диодов детектора. На другой диод сигнал ПЧ поступает через конденсатор \(C1\) с емкостью, равной параллельной емкости кварца. Продетектированные напряжения складываются в противоположной полярности на выходе дискриминатора. На частотах, близких к частоте последовательного резонанса, сопротивление кварца мало, и высокочастотное напряжение на диоде \(VD2\) больше, чем на \(VD3\). На выходе при этом появляется продетектированное напряжение положительной полярности. На частотах, близких к частоте параллельного резонанса, сопротивление кварца велико и выходное напряжение отрицательно. Ширина дискриминационной характеристики детектора примерно соответствует расстоянию между частотами последовательного и параллельного резонансов кварца. Ее можно увеличить почти вдвое, если вместо конденсатора \(C1\) включить другой кварц с частотой последовательного резонанса, равной частоте параллельного резонанса кварца \(BQ1\). Похожее решение реализовано в схеме на рис. 3.6-13.
Пример схемы дробного детектора с симметричным заземлением нагрузки (резисторы \(R5\) и \(R6\)) относительно диодов \(VD1\), \(VD2\) приведен на рис. 3.6-14. Такой детектор также часто называют симметричным детектором отношений .
Рис. 3.6-14. Схема дробного ЧМ-детектора (детектор отношений)
Эквивалентные добротности контуров \(Q_э\) выбираются в пределах 50...75 (на частотах более 6 МГц). При этом для хорошего подавления амплитудной модуляции и достижения малых нелинейных искажений необходимо, чтобы конструктивная добротность \(Q_к\) была в два-три раза больше \(Q_э\). Индуктивность обмотки \(L2\) выбирают в пределах \({0,25...0,5} \cdot L1\), а добротность - 40...60. Коэффициенты связи между обмотками: \(k_{св 12} \approx 40/Q_э\), \(k_{св 13} \approx 0,5/Q_э\).
На рис. 3.6-15...3.6-18 приводится несколько конкретных реализаций диодных ЧМ детекторов (детекторов отношений), применяемых в бытовых и связных приемниках.
Рис. 3.6-15. Детектор отношений для узкополосной ЧМ
Рис. 3.6-16. Простой детектор отношений для бытового приемника
Частотный детектор является одним из важныз узлом любого УКВ ЧМ приемника, поскольку от его качества зависит качество звукового сигнала на выходе приемника. Человеческое ухо не воспринимает ВЧ модулированый сигнал, а воспринимает только НЧ амплитудно модулированный. Для того, что бы преобразовать чатотную модуляцию в амплитудную, и нужен ЧМ детектор. Частотно модулированный сигнал выглядит вот так:
Поскольку широко распространенные дробные детекторы и дискриминаторы на основе ВЧ трансформаторов имеют довольно не простую настройку и довольно затруднительное (особенно в отсутствии опыта) изготовление, я попробовал сделать несколько вариантов ЧМ детекторов без катушек, трансформаторов и контуров.
На схеме приведен в общем то класический усилитель на пентоде, давайте подробнее расмотрим работу выше приведенного ЧМ детектора: Усиленный синал ПЧ через конденсатор С3 подается на управляющую сетку лампы, но на его пути (сигнала) стоит цепочка Z1R2 , её назначение состоит в том, чтобы задать смещение на сетке по потоянному току и одновременно уменьшить добротность кварцевого резонатора (не путать с пьезокерамическим дискриминатором) . Поскольку кварцевый резонатор изначально изготовлен на определенную частоту, его полоса перестройки довольно узкая и меньше полосы модуляции в несколько раз. Чтобы расширить полосу, резонатор зашунтирован резистором. Если этого не делать, тогда резонатор на некоторых участках ЧМ сигнала будет поподать в полосу модуляции, а на некоторых нет, в следствии этого, АМ сигнал на выходе детектора будет сильно икажен. При уменьшенной добротности, полоса перестройки резонатора возрастает, но все равно за счет механического резонанса, минимальное динамическое сопротивление кварцевой пластины и максимальная амплитуда колебаний будет в полосе частот, на которую настроен резонатор механически. Поскольку частотная модуляция меняет частоту синала то выше, то ниже по частоте, чем механический резонанс, динамическое сопротивление по переменному току пластины, меняется пропорционально частоте сигнала, тем самым превращая ЧМ в АМ. Эта схема хорошо работает с лампами 6ж1п, 6ф1п, 6ж9п.
А вот эта схема собрана "в железе":
В этот схеме заложен принцип "недовозбужденного резонатора" . Это тоже схема усилителя на пентоде, но здесь кварцевый резонатор стоит в обратной связи, которая регулируется резистором R4 . Вся идея в том, чтобы довести усиление до такого состояния, чтобы ЧМ детектор был на грани генерации. Дело в том, что у кварцевого резонатора есть как параллельный, так и последовательный резонанс. Здесь используется последовательный.В зависимости от отклонения частоты от точки резонанса, проходная емкость резонатора (за счет динамического сопротивления) тоже меняется пропорционально ЧМ сигналу, и тем самым преобразуя переменный ток из ЧМ в АМ. В этой схеме резонатор можно заменить конденсатором, и принимать ЧМ сигнал на склоне АЧХ (чуть в стороне от центра сигнала ПЧ) но качество сигнала и его амплитуда будут намного ниже. Когда обратная связь установлена на грани генерации детектора, лампа будет максимально усиливать амплитудные колебания переменного тока, выделенные резонатором. Если довести детектор до генерации, тогда на выходе будет слышен сильный фон (продетектированные колебания генератора) и при настройке на радиостанцию будет слышен писк, поскольку кварц работает на своей частоте и совпадая с несущей радиостанции (сигнал ПЧ) будут слышны разностные колебания.
А вот и этот макет:
Схема хорошо работает с лампами 6ж2п, 6к13п.
А вот и третья схема:
В заключение хочу сказать, все три схемы справляются со своими "обязаностями", но ЧМ детектор по первой схеме,имеет уровень выходного сигнала выше, поскольку схема хорошо работает с пентодами у которых короткая характеристика (плавно менять усиление не получиться) , а также придется подобрать резистор R2 под конкретный примененный резонатор. Вторая схема порадовала более мягким подходом к точке генерации и "захватом" точки детектирования. Третья схема - это что-то среднее между первой и второй схемами, поскольку обладает большим усилением по сравнению со второй схемой и большей гибкостью настройки по сравнению с первой.
Удачных экспериментов!!!
Артем (UA3IRG)
Пусть имеется входной полосовой сигнал с фазовой модуляцией:
| (1) |
Где — амплитуда входного сигнала, — несущая частота сигнала, — девиация фазы PM сигнала (индекс фазовой модуляции) и — модулирующий сигнал, который необходимо выделить из . Предполагается, что модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицу.
Выделим при помощи квадратурного гетеродина огибающую фазы сигнала , как это показано на рисунке 1.
Рисунок
1: Выделение комплексной огибающей при помощи квадратурного
гетеродина
После умножения исходного сигнала на квадратурные компоненты получим:
Из выражения (3) можно выразить:
 |
(4) |
Таким образом, мы смогли продемодулировать PM сигнал и выделить исходный модулирующий сигнал . При этом необходимо обратить внимание на следующие моменты. Во первых, приведенные выражения подразумевают когерентный прием PM сигнала, т.е. отсутствие частотного и фазового рассогласования несущей частоты и частоты квадратурного гетеродина, и во вторых предполагается, что арктангенс вычисляется в пределах радиан (функция арктангенс 2). Если же условие когерентного приема не обеспечивается, то имеются частотное рассогласование и случайный фазовый сдвиг принятого PM сигнала относительно начальной фазы гетеродина. Таким образом, можно (2) переписать в виде:
| (7) |
Таким образом, некогерентный прием приводит к тому, что к демодулированному сигналу добавляется линейная составляющая пропорциональная частотной расстройке плюс случайная начальная фаза. При этом начинает проявляться второй эффект, который заключается в периодичности арктангенса. Если линейное слагаемое превысит по модулю , то в силу периодичности арктангенса на выходе будет «пила» как это показано на рисунке 2. Для устранения периодичности применяют функции раскрытия арктангенса (unwrap - функции).
Рисунок 2: Эффект периодичности арктангенса
Таким образом, для приема PM сигнала требуется когерентная обработка, в противном случае возможны искажения демодулированного сигнала. На практике, аналоговая PM модуляция не получила широкого распространения ввиду указанных недостатков. Однако цифровая фазовая модуляция, когда модулирующий сигнал — цифровой, нашла огромное применение. При цифровой фазовой модуляции модулирующий сигнал представляет собой прямоугольные импульсы и фаза меняется скачкообразно и получается фазовая манипуляция (phase shift key PSK), но о ней подробно в следующих разделах. Мы же вернемся к частотной модуляции. При частотной FM модуляции исходный модулирующий сигнал интегрируется:
Продифференцировав огибающую фазы получим мгновенную частоту:
| (10) |
Обратите внимание, после взятия производной частотное рассогласование влияет лишь на постоянную составляющую демодулированного сигнала, которая как правило не несет информации и может быть устранена при помощи фильтра верхних частот. Однако перед дифференцированием остался арктангенс с «нежелательной периодичностью». Давайте от него избавимся, рассчитав производную арктангенса в выражении (10) как производную сложной функции:
Нормированный исходный модулирующий сигнал показан на рисунке 4. Исходным модулирующим сигналом производилась частотная и фазовая модуляция сигнала на несущей частоте 25 кГц с девиацией частоты при FM модуляции равной 2 кГц и девиации фазы PM равной 7.
|
|
|
|
|
|
На рисунке 5 показан выход фазового детектора при демодуляции PM сигнала. Видно, что на выходе арктангенса явные перегрузки по фазе, вызванные периодичностью по фазе. Раскрытие периодичности арктангенса, с соответствующими нормировками PM и FM демодуляторов при точной настройке частоты гетеродина на несущую частоту FM и PM сигнала показаны на рисунке 6. Хорошо видно, что при точной настройке частоты гетеродина сигнал на выходе FM демодулятора полностью повторяет исходный модулирующий сигнал, а на выходе PM демодулятора смещен на постоянную составляющую пропорционально случайной начальной фазе. Сигнал на выходе PM и FM демодуляторов при частотной расстройке гетеродина соответственно 100 (в случае PM сигнала) и 500 Гц (для FM сигнала) показаны на рисунке 7. Можно заметить, что частотная расстройка при FM сигнале смещает только постоянную составляющую на выходе FM демодулятора, в то время как на выходе PM демодулятора добавляется линейное слагаемое с коэффициентом пропорциональности зависящим от частотной расстройки гетеродина.
Давайте теперь рассмотрим вопрос раскрытия периодичности арктангенса. Для этого применяют unwrap -алгоритмы, которых существует несколько вариантов. Первый вариант заключается в обнаружении скачков фазы на выходе арктангенса близких к радиан. Принцип работы данного алгоритма показан на рисунке 8.
Из-за шумов и из-за дискретизации сигнала. В этом случае есть вероятность пропустить скачок по фазе и сформировать неправильный сигнал .
Второй вариант раскрытия периодичности арктангенса заключается в следующем. PM сигнал демодулируют при помощи FM демодулятора в соответствии с (11) при помощи структуры приведенной на рисунке 3. В результате получают мгновенную частоту , равную производной от фазы . После этого интегрируют и восстанавливают фазу без использования арктангенса (см. рисунок 9) .
Рисунок
9: Раскрытие периодичности арктангенса при использовании FM
демодулятора
Данный способ не приемлем в случае цифровой модуляции, так как частотный демодулятор не сохраняет информации о начальной фазе, кроме того в результате интегрирования к сигналу на выходе добавляется случайная постоянная интегрирования.
Еще один, пожалуй, самый лучший способ раскрытия периодичности арктангенса, который нашел широкое распространение в цифровых системах с фазовой манипуляцией - это недопускание набега фазы больше (т.е. недопускание периодичности арктангенса) за счет использования следящих контуров фазовой автоподстройки частоты, подробно рассмотренных в .
Таким образом, мы рассмотрели вопросы построения PM и FM демодуляторов. Показали, что для PM сигнала частотная расстройка гетеродина приводит к линейному слагаемому на выходе PM демодулятора, а в случае FM сигнала при частотной расстройке меняется лишь постоянная составляющая на выходе демодулятора. Приведены unwrap алгоритмы раскрытия периодичности арктангенса.
