Амплитудно-импульсная модуляция

Наиболее часто применяется прямой метод формирования АИМ. Для этого используется любая схема амплитудного модулятора, например транзисторного, работающего в режиме с отсечкой. Вместо транзистора в амплитудно-импульсных модуляторах используют также диоды.

Частотно-импульсная модуляция

ЧИМ можно получить, управляя частотой любого релаксационного автогенератора, например мультивибратора или блокинг-генератора. Для изменения частоты следования импульсов, как и в автогенераторе гармонических колебаний, необходимо изменять параметры колебательной системы. Кроме изменения ёмкости варикапами, в релаксационных автогенераторах также используются управляемые резисторы, так как они обеспечивают большую линейность и пределы изменения частоты.

Косвенный метод получения ЧИМ основан на преобразовании ЧМ в ЧИМ (рисунок 18.1). Для этого ЧМ сигнал (а) пропускают через ограничитель по максимуму и минимуму с достаточно низкими порогами ограничения.

Рисунок 18.1 – Временные диаграммы, поясняющие преобразование ЧМ сигнала в ЧИМ: а) ЧМ сигнал; б) сигнал на выходе ограничителя; в) ЧИМ сигнал.

Из полученных трапецеидальных импульсов (рисунок 18.1, б) дифференцированием и последующим ограничением выделяют передние фронты (рисунок 18.1, в). Это и будет ЧИМ сигнал, частота следования импульсов которого изменяется пропорционально модулирующему сигналу.

Широтно-импульсная и фазо-импульсная модуляция

Одним из простых, но широко распространённых методов формирования ШИМ и ФИМ является получение их из АИМ. Этот процесс поясняется временными диаграммами рисунка 18.2. В качестве несущей для АИМ используется периодическая последовательность треугольных импульсов (рисунок 18.2, б). Если выходной АИМ сигнал (рисунок 18.2, в) пропустить через ограничитель по максимуму с низким порогом ограничения, то на выходе ограничителя получим трапецеидальные импульсы ШИМ (рисунок 18.2, г). Крутизна фронтов импульсов зависит от порога ограничения. Если далее из полученного ШИМ сигнала, как и в примере косвенного получения ЧИМ, дифференцированием и ограничением выделить передние фронты, то получим сигнал с ФИМ (рисунок 18.2, д), сдвиг импульсов которого относительно центров треугольных импульсов (рисунок 18.2, б) пропорционален модулирующему сигналу.

Рисунок 18.2 – Временные диаграммы, поясняющие преобразование АИМ сигнала в ШИМ и ФИМ: а) модулирующий сигнал; б) импульсная несущая; в) АИМ сигнал; г) ШИМ сигнал; д) ФИМ сигнал.

54. Некогерентное детектирование двухполосных амплитудно-модулированных сигналов (АМ) с большим уровнем несущей. Принципиальная электрическая схема однотактного амплитудного детектора на диоде. Принцип действия. Временные диаграммы. Выбор параметров фильтра детектора.

    Общие сведения

Детектирование – процесс восстановления модулирующего сигнала из модулированного высокочастотного колебания.

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

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 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 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.

Это подтверждается характеристикой детектирования, которая представляет собой зависимость постоянного напряжения на нагрузке детектора от амплитуды немодулированного высокочастотного сигнала .

Рисунок 3 – Характеристика детектирования диодного АД.

В качестве ФНЧ, который является нагрузкой детектора, обычно служит параллельная цепочка , значения элементов которой подбираются так, чтобы сопротивление резистора было значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для токов высокой частоты и значительно меньше его для токов низкой частоты:

.

Тогда выходное напряжение детектора будет создаваться только низкочастотными составляющими тока, а высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованы. Чтобы убрать постоянную составляющую , содержащуюся в напряжении , сигнал на следующие за детектором элементы подают через разделительный конденсатор . В результате получается напряжение без постоянной составляющей.

55. Некогерентное детектирование двухполосных амплитудно-модулированных сигналов (АМ) с большим уровнем несущей. Принципиальная электрическая схема однотактного амплитудного детектора на диоде. Линейный и квадратичный режимы детектирования.

    Квадратичный диодный АД

Характеристику диода можно представить в виде:

.

Подставим в приведенную зависимость выражение модулированного сигнала :

Рисунок 4 – Спектр АМ сигнала на входе детектора и тока диода.

Низкочастотная переменная составляющая тока диода содержит два слагаемых: полезное, воспроизводящее передаваемый сигнал (с частотой ), и вредное, которое появилось вследствие квадратичного характера детектирования (с частотой ). 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 . До момента времени модуляция отсутствует, и амплитуда импульсов не меняется. В момент 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 будет представлять собой произведение ряда Фурье и множителя модуляции :

.

В спектре такого тока будет постоянная составляющая, составляющая несущей частоты , ее гармоники и комбинационные частоты. В составе спектра появляется низкочастотная составляющая , которую и выделяет ФНЧ.

При линейном детектировании нелинейные искажения информационного сигнала минимальны, а коэффициент передачи детектора , равный отношению постоянной составляющей выходного напряжения к амплитуде немодулированного несущего колебания , не зависит от амплитуды несущей:

,

где - угол отсечки тока диода.

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы линейного диодного АД.

Рисунок 6 – Спектральные диаграммы АМ сигнала на входе детектора,

тока диода и выходного сигнала.

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

56. Когерентное детектирование амплитудно-модулированных сигналов. Синхронный детектор. Функциональная электрическая схема синхронного детектора. Особенности детектирования амплитудно-модулированных сигналов с подавленной несущей.

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 21.1 – Структурная схема СД.

- 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.

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

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

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

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:

При напряжение максимально; при амплитуда сигнала занижается; а при 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 ):

57. Когерентное детектирование фазомодулированных (ФМ) сигналов. Функциональная и принципиальная электрические схемы однотактного фазового детектора. Принцип действия. Векторные диаграммы напряжений. Детекторная характеристика.

    ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ФМ СИГНАЛОВ

Фазовый детектор (ФД) – устройство, в котором входной ФМ сигнал преобразуется в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции фазы.

Все ФД являются когерентными (требуют обязательного наличия синхронного с частотой сигнала опорного колебания), т.к. выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно только путем его сравнения с немодулированным колебанием (опорным). Начальные фазы ФМ сигнала и опорного колебания в общем случае могут и не совпадать. Структурная схема ФД аналогична схеме СД.