Konspekt_TR_RO

ФИМ (рисунок 9.24, д), сдвиг импульсов которого относительно центров треугольных импульсов (рисунок 9.24, б) пропорционален модулирующему сигналу.

Рисунок 9.24 – Временные диаграммы, поясняющие преобразование АИМ сигнала в ШИМ и ФИМ: а) модулирующий сигнал; б) импульсная несущая; в) АИМ сиг-

нал; г) ШИМ сигнал; д) ФИМ сигнал.

Формирование сигналов с квадратурной модуляцией

QPSK

При квадратурной фазовой модуляции используется 4 дискретных значений информационного сигнала, которым соответствует 4 различных фазового сдвига. В QPSK входная информационная последовательность разбивается на пары – 2-ух бытовые символы и при переходе от символа к символу фаза несущей меняется на заданном уровне.

Математическая модель QPSK: S(QPSK) = I(t)coswt + Q(t)sinwt

где I(t)coswt синфазная, а Q(t)sinwt – квадратурная составляющие.

Рисунок 9.25 – Структурная схема квадратурного фазового модулятора

121

Входная последовательность двоичных символов длительностью tu, с помощью регистра сдвига делится на нечётные (Q) и чётные (I) импульсы, нумерация начинается с нуля. Чётные импульсы поступают в синфазный, а нечётные – в квадратурный канал. Длительность каждого импульса увеличивается в 2 раза, по сравнению с входным.

Для уменьшения полосы частот, занимаемым сигналом, силовые потоки подвергаются сглаживанию в ФФ. Далее импульсы поступают на модуляторы, и сигналы складываются.

Рисунок 9.26 – Временные диаграммы

Достоинства: простота, высокая помехоустойчивость Недостатки: при демодуляции РпрУ должен определять абсолютное значение

фазы несущей, для этого необходимо сравнить некоторый сигнал с опорным, который совпадает с несущей на передаче, поэтому необходимо синхронизировать модулятор и демодулятор. Поэтому используется DQPSK.

QAM

Результирующий сигнал получается при их суммировании, в результате в QAM одновременно изменяется амплитуда и фаза.

Для показания уровня модуляции принято обозначение. М- QAM, где М – количество точек на сигнальном созвездии (т. е. количество состояний) М=2n

Рисунок 9.27 – Структурная схема модулятора

122

ППП – разделяет поток данных на 4 подпотока с соответствующим снижением скоростей (число подпотоков =n). Затем происходит цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один 4-ёхуровневый.

Рисунок 9.28 – Значения уровней

Эти 4-ёхуровневые сигналы поступают на балансные модуляторы, и в результате формируются 4-ёх модулированные сигналы, которые для получения QAM сигнала необходимо сложить.

Достоинства: простота, ширина спектра QAM сигнала не превышает ширину спектра модулированного сигнала

Недостатки: при увеличении числа точек в сигнальном созвездии уменьшается помехоустойчивость.

123

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

Детектирование – процесс восстановления модулирующего сигнала из модулированного высокочастотного колебания.

Детектирование, при котором учитывается начальная фаза принимаемого модулированного сигнала, называется когерентным; не учитывается – некогерентным.

Некогерентное детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Амплитудный детектор (АД) – устройство, с помощью которого детектируется АМ сигнал.

Поскольку спектр модулированного сигнала содержит только высокочастотные компоненты, и в нем отсутствуют низкочастотные спектральные составляющие модулирующего сигнала, то линейные цепи для детектирования непригодны (они не изменяют спектральный состав сигнала). В большинстве случаев детекторы представляют собой нелинейные цепи.

Рисунок 10.1 – Структурная схема некогерентного АД.

Детектор состоит из двух элементов: НЭ и ФНЧ. НЭ преобразует спектр входного модулированного сигнала так, что в спектре выходного тока появляются составляющие модулирующего сигнала. ФНЧ выделяет эти составляющие и предотвращает прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Простой и широко распространенной является схема диодного АД.

Рисунок 10.2 – Принципиальная схема диодного АД.

В качестве НЭ используется диод. Диод может работать в двух различных режимах: без отсечки тока (на него подается входное воздействие малой амплитуды – не более 100…300 мВ) и с отсечкой тока (на него подается входное воздействие большой амплитуды – более 500…1000 мВ). Детектор, работающий в режиме малого сигнала, называется квадратичным, поскольку начальный участок ВАХ диода хорошо аппроксимируется полиномом второй степени. Детектор, работающий в режиме сильного сигнала, называется линейным, поскольку основным рабочим участком ВАХ диода является линейный.

124

Это подтверждается характеристикой детектирования, которая представляет собой зависимость постоянного напряжения на нагрузке детектора U 0вых от амплитуды

немодулированного высокочастотного сигнала Um .

U0вых

Квадратичный

детектор

Линейный

детектор

Рисунок 10.3 – Характеристика детектирования диодного АД.

В качестве ФНЧ, который является нагрузкой детектора, обычно служит параллельная цепочка Rн Cн , значения элементов которой подбираются так, чтобы сопротив-

ление резистора было значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для токов высокой частоты и значительно меньше его для токов низкой частоты:

Тогда выходное напряжение детектора uвых (t) будет создаваться только низкоча-

стотными составляющими тока, а высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованы. Чтобы убрать постоянную составляющую U 0вых , содержащуюся в напряже-

нии uвых (t) , сигнал на следующие за детектором элементы подают через разделительный конденсатор C р . В результате получается напряжение u'вых (t) без постоянной со-

ставляющей.

Квадратичный диодный АД

Характеристику диода можно представить в виде:

.

a2U m 2 (1 2m cos t m2 / 2 m2 / 2 cos(2t))(1/ 2 1/ 2 cos(2н t)) a0 a1U m (1 m cos t)

cosн t a2U m 2 (1/ 2 1/ 2 cos(2н t) m cos t m cos(2н t) cos t m2 / 4 m2 / 4 cos(2н t) m2 / 4 cos(2t) m2 / 4 cos(2н t) cos(2t).

Рисунок 10.4 – Спектр АМ сигнала на входе детектора и тока диода.

125

Низкочастотная переменная составляющая тока диода содержит два слагаемых: полезное, воспроизводящее передаваемый сигнал (с частотой ), и вредное, которое появилось вследствие квадратичного характера детектирования (с частотой 2 ). Следовательно, возникают нелинейные искажения выходного сигнала. При детектировании сигнала, модулированного спектром частот, в детекторе также возникают комбинационные частоты, что еще больше увеличивает искажения сигнала.

Квадратичное детектирование находит ограниченное применение (в измерительной технике).

Представим ВАХ диода в виде линейно-ломаной. Под действием входного напряжение ток в цепи диода представляет собой импульсы, следующие с частотой несущей н . До момента времени t1 модуляция отсутствует, и амплитуда импульсов

не меняется. В момент t1 включена модуляция, и амплитуда импульсов начинает изменяться с частотой . Последовательность немодулированных импульсов тока через диод может быть представлена в виде ряда Фурье с постоянной составляющей. Модель тока с момента t1 будет представлять собой произведение ряда Фурье и множителя модуляции (1 mcos t) :

iд (1 mcos t)(I0 Im1 cos нt Im2 cos2 нt ...) .

В спектре такого тока будет постоянная составляющая, составляющая несущей частоты н , ее гармоники и комбинационные частоты. В составе спектра появляется

низкочастотная составляющая mI0 cos t , которую и выделяет ФНЧ.

При линейном детектировании нелинейные искажения информационного сигнала минимальны, а коэффициент передачи детектора К д , равный отношению постоянной

составляющей выходного напряжения U 0вых к амплитуде немодулированного несущего колебания Um , Кд U0вых /Um не зависит от амплитуды несущей:

Кд cos ,

где - угол отсечки тока диода.

Рисунок 10.5 – Временные диаграммы работы линейного диодного АД.

126

Рисунок 10.6 – Спектральные диаграммы АМ сигнала на входе детектора, тока диода и выходного сигнала.

Линейный АД применяется как в профессиональной, так и в бытовой радиоаппаратуре.

Синхронное (когерентное) детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Диодный детектор дает хорошие результаты при детектировании АМ сигнала с высоким уровнем (несколько вольт). Для детектирования АМ сигналов с малым уровнем (десятые доли вольта или меньше), БМ и ОМ сигналов применяют синхронное (когерентное) детектирование, при котором напряжение на выходе детектора зависит не только от амплитуды, но и от фазы входного сигнала.

Синхронным называется детектирование высокочастотных колебаний, при котором используется специально выделенное несущее колебание.

Синхронный детектор (СД) можно рассматривать как преобразователь частоты при частоте гетеродина, совпадающей с частотой сигнала. Поэтому он называется синхронным.

Рисунок 10.7 – Структурная схема СД.

G - опорный генератор (гетеродин). Формирует (генерирует) опорный сигнал, совпадающий по частоте и фазе с несущей АМ сигнала.

ФАПЧ – система фазовой автоподстройки частоты опорного генератора. Выделяет несущую сигнала, которая используется для подстройки частоты и начальной фазы гетеродина.

127

- перемножитель. Перемножает АМ и опорный сигналы. Сигнал на его выходе:

u1 (t) sAM (t)uг (t) U m (1 m cos t) cos(н t 0 )U mг cos(н t 0 )

12 U mU mг (1 m cos t)[cos((н н )t 0 0 ) cos((н н )t 0 0 ]

12 U mU mг (1 m cos t)[1 cos(2н t 20 )].

Вкачестве перемножителя может быть использован балансный модулятор, специальный аналоговый перемножитель на микросхеме.

ФНЧ – фильтр нижних частот. Выделяет низкочастотные составляющие этого сигнала. Сигнал на выходе ФНЧ:

uвых (t) 12 U mU mг m cos t.

В спектре БМ и ОМ сигналов несущая отсутствует. При этом для получения опорного сигнала применяются два технических решения:

-вместе с БМ и ОМ сигналами передается пилот-сигнал, представляющий собой остаток несущей;

-при полностью подавленной несущей используется местная несущая, формируемая на приеме специальным высокостабильным генератором несущей.

Достоинства:

-такое детектирование линейное, т.е. имеется прямая пропорциональная зависимость между значениями выходного напряжения детектора и огибающей входного АМ сигнала;

-СД можно использовать для детектирования ФМ сигналов, т.к. он реагирует на фазу входного сигнала;

-отсутствие эффекта подавления слабого сигнала сильной помехой (равенство отношений сигнал-помеха на входе и выходе детектора);

-СД характеризуется частотной избирательностью (чем больше разность частот сигнала и помехи, тем меньшее напряжение помехи создается на выходе СД).

Недостаток:

-значительные технические трудности обеспечения синхронности и синфазности опорного и принимаемого сигналов.

При несовпадении фаз выходной сигнал оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:

uвых (t) 12 U mU mг m cos() cos t.

При 00 напряжение максимально; при 00 900 амплитуда сигнала занижается; а при 900 напряжение равно нулю, что делает невозможным прием сигнала.

При несовпадении частот сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой (начинает пульсировать с частотой биений ):

128

Детектирование частотно-модулированных сигналов

Частотный детектор (ЧД) – устройство, напряжение на выходе которого зависит от частоты входного сигнала.

Для восстановления модулирующего сигнала из ЧМ сигнала только нелинейного устройства недостаточно, т.к. в реакции любого НЭ на ЧМ сигнал имеются только модулированные гармоники частоты несущей и нет низкочастотных составляющих.

Для доказательства рассмотрим нелинейное преобразование ЧМ сигнала. Пусть ВАХ НЭ аппроксимирована полиномом:

i a0 a1u a2u 2 ,

где u sЧ М .

Оказывается, что ток НЭ не содержит информационной низкочастотной компоненты:

i(t) a0 a1U m cos( н t MЧМ sin t) a2U m 2 cos2 ( н t MЧМ sin t)

a0 12 a2 U m 2 a1U m cos( н t MЧМ sin t) 12 U m 2 cos 2( н t MЧМ sin t).

Следовательно, требуется дополнительное преобразование ЧМ сигнала. ЧД работают по принципу преобразования ЧМ в другой вид модуляции с последующим детектированием преобразованного вида модуляции. В зависимости от характера преобразований ЧМ различают частотно-амплитудные, частотно-фазовые и частотноимпульсные детекторы.

В частотно-амплитудных детекторах изменение частоты сигнала преобразуется в изменение амплитуды, которое выделяется АД. В частотно-фазовых детекторах изменение частоты преобразуется в изменение фазового сдвига между двумя напряжениями с последующим фазовым детектированием. В частотно-импульсных детекторах ЧМ сигнал преобразуется в один из видов импульсной модуляции с последующим детектированием с помощью ФНЧ или счетной схемы.

Частотно-амплитудные детекторы

Рисунок 10.8 – Принципиальная схема ЧД с расстроенным колебательным контуром.

129

Преобразование ЧМ сигнала осуществляется в колебательном контуре, расстроенном относительно несущей частоты сигнала ( рез н ). Величину расстройки конту-

ра выбирают больше девиации частоты: m . При изменении частоты принимаемого сигнала (t) н (t) изменяется коэффициент передачи контура по напряжению К , в результате изменяется амплитуда напряжения на контуре U mк (t) и ЧМ колебание превращается в амплитудно-частотно-модулированное (АЧМ) uк (t) . Напряжение с контура подается на линейный АД, на выходе которого получается низкочастотный сигнал uвых (t) .

Рисунок 10.9 – Временные диаграммы работы ЧД, если рабочая точка выбрана на левой ветви резонансной характеристики контура ( рез н ).

Детекторная характеристика рассмотренного ЧД, представляющая собой зависимость постоянного напряжения на выходе детектора U 0вых от частоты f немодулиро-

ванного высокочастотного сигнала на его входе, представлена на рисунке 10.10.

2

Рисунок 10.10 – Детекторная характеристика рассмотренного

130