Фильтр сосредоточенной селекции что это такое

Детектирование колебаний – это выделение сигнала, несущее в себе

передаваемое сообщение, которое в неявном виде содержится в модулированном колебании. При детектировании спектр сигнала сдвигается в область низких частот. Преобразование спектра осуществляется нелинейным элементом.

Схема детектора амплитудно-модулированных сигналов приведена на рис.6.1.1

Рис.6.1.1.

При амплитудном детектировании  выделяется огибающая модулированного сигнала. Преобразование частотного спектра осуществляется нелинейным элементом и фильтром нижних частот ФНЧ. В качестве нелинейного элемента применяют полупроводниковый диод.

На вход детектора подается модулированное колебание вида  U= (1 m , в спектре которого содержатся только высокочастотные составляющие: несущее колебание  и колебания боковых частот    

                   рис.6.1.1

                                     Рис.6.1.1

На выходе детектора выделяется напряжение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения U_0m m , где = U_om m-амплитуда напряжения низкой частоты.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода  приведена на рис.6.1.2. Она имеет два характерных участка: нелинейный до 0.3в и линейный в пределах от 0.5 в. В пределах этих участков процессы детектирования будут различаться.

Рис.6.1.2.

При малой амплитуде сигнала (до 0.3в) на входе детектора работа происходит на нелинейном участке ВА характеристики с квадратичной зависимостью .  

Ток через диод определяется как сумма составляющих:

i(t)=i₀ U(t) (t) …,

где U(t)=E(t)  –мгновенное значение высокочастотного сигнала, амплитуда которого E(t) модулирована по закону передаваемого сообщения. Тогда i(t)

      i(t)=   E(t) t   (t) …

Постоянная составляющая i₀ (ток покоя) и высокочастотные составляющие  и 2  отфильтровываются в цепи нагрузки.

Информация содержится в низкочастотном слагаемом:

I_нч = (t)

Составляющая тока i_нч пропорциональна квадрату амплитуды входного напряжения. При малых амплитудах (U  0,1 0,2 В) детектирование является квадратичным.

Напряжение на нагрузке R_н равно U_вых(t)=i_нчR_н, а, следовательно, напряжение на нагрузке пропорционально квадрату амплитуды входного сигнала E(t).

 При детектировании сигналов с большими амплитудами (0.5 1 В) схема работает с отсечкой тока, т.е. ток через диод протекает меньше чем половина периода входного сигнала. При достаточно больших значениях  и С_н конденсатор не успевает разрядиться за половину периода входного сигнала и время протекания тока через диод составляет часть полупериода, который называется понятием двойного угла отсечки 2 . В этом случае напряжение на конденсаторе есть выпрямленное напряжение U₌ = U_m.. Связь между величиной выходного сигнала и амплитудой на входе детектора Е(t)=U_m линейна. Такой вид детектирования называется линейным, вольтамперная характеристика диода представляется кусочно-ломанной линией  рис.6.1.3.

                             Рис.6.1.3

Основными параметрами диодного детектора являются :

1.коэффициент передачи детектора — К_д ;

2. входное сопротивление детектора — R_вх ;

3.коэффициент нелинейных искажений – К_нел.

Коэффициент передачи детектора К_д есть отношение постоянной составляющей напряжения на выходе детектора ₌ к амплитуде входного напряжения для немодулированного сигнала U_m        

                                                   К_д=

Коэффициент передачи детектора для модулированного колебания есть отношение амплитуды напряжения низкой частоты на выходе детектора к приращению амплитуды входного сигнала m

                                                 К_д=

Входное сопротивление детектора – это влияние схемы детектора на источник входного напряжения. Входным сопротивлением называется отношение амплитуды напряжения  на входе детектора к амплитуде первой гармоники выпрямленного тока , которая содержится в выходном импульсе тока.

R_вх=

Напряжение на входе детектора приводит к появлению несинусоидального тока в виде импульсов одной полярности. В спектре этого тока содержится постоянная составляющая, составляющая несущей частоты  и ее гармоники. При протекании тока через контур, обладающий резонансными свойствами, на контуре создается падение напряжения составляющей тока несущей частоты (для постоянной составляющей и высших гармоник сопротивление контура равно 0).   Влияние входного сопротивления детектора проявляется в изменении

затухания колебательного контура последнего каскада УПЧ, что приводит к изменению полосы пропускания всего УПЧ.         

Детекторная характеристика определяет связь выпрямленного тока I₌ и амплитуды ВЧ напряжения на входе детектора. Детекторная характеристика зависит от величины сопротивления нагрузки R_н.       

При КЗ детектора (R₁=0) детекторная характеристика существенно нелинейна.

При больших R=R₃ характеристика почти линейна, что свидетельствует о пропорциональности между  и амплитудой ВЧ напряжения. Нелинейность уменьшается с увеличением R рис.6.1.4.

Рис.6.1.4.

Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью детекторной характеристики. При подаче на вход детектора АМ-колебания на выходе детектора помимо полезной составляющей  имеются высшие гармоники 2 , 3 , постоянная составляющая, составляющие гармоник ВЧ сигнала , 2 , 3 . Высокочастотные составляющие отфильтровываются.

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейности

 100%

Детектирование сильных сигналов возможно при превышении входным сигналом значения, большего 0.5 0.6 В. Конденсатор нагрузки детектора не успевает разрядиться за половину периода входного напряжения, схема работает с отсечкой тока (2  Вольтамперную характеристику диода можно представить ломанной линией с изломом вблизи точки U=0.

Рис.6.2.2.1

Под углом отсечки  понимается половина части периода протекания тока через диод. Ток через диод протекает под действием разности двух напряжений, приложенных к разным электродам диода: входного напряжения U=U_m  и напряжения на емкости, равного U₌ = U_m .

Коэффициент передачи детектора сильных сигналов равен:

К_д=  =

Коэффициент передачи сильных сигналов не зависит от амплитуды входного сигнала.

Уравнение кривой импульса тока представлен в виде:

I(

Постоянная составляющая тока в отсутствии модуляции равна:

I₌= =

Постоянное напряжение на нагрузке R_н

U₌ =I₌R_н

Подставим в формулу

U₌ = (

Разделим обе части равенства на U_m

 =  ( =

Затем разделим обе части равенства на

=

Угол отсечки зависит от произведения SR

Eсли SR велико ( , то угол — мал.

При малом значении

  …

Коэффициент передачи детектора сильных сигналов равен:

К_д= )

Входное сопротивление диодного детектора сильных сигналов вносит затухание в колебательный контур источника напряжения =  

Входным сопротивлением называется отношение амплитуды напряжения на входе детектора к амплитуде первой гармоники тока несущей частоты.

R_вх = ,

где  – амплитуда первой гармоники тока.

 =

 =

=

Если произведение S , то и  и  представляются функциями :

Тогда

Подставим полученный результат в формулу R_вх

R_вх =

В схеме последовательного детектора входное сопротивление равно половине значения сопротивления нагрузки.

Существует схема параллельного детектора, представленная на рис.6.2.2.3

      Рис.6.2.2.3.

Принцип действия параллельного детектора одинаковый с последовательным детектором.   Роль емкости нагрузки детектора выполняет разделительный конденсатор. Величина входного сопротивления  отличается от величины сопротивления последовательного детектора

R_{вх парал .}= =

Входное сопротивление схемы параллельного детектора меньше входного сопротивления последовательного детектора, затухание, вносимое этим сопротивлением, возрастает и, следовательно, увеличивается полоса питающего контура.

Определяем параметры детектора в отсутствии емкости нагрузки детектора С_н=0. На вход детектора подается немодулированное колебание вида U =U_m . Схема такого детектора приведена на рис.6.3.1.

                      Рис.6.3.1.

Ток i(t) протекает через диод в течении полупериода, что соответствует углу отсечки .

Сопротивление схемы в прямом направлении равно сумме R_iд R_н, в обратном направлении – бесконечности. Представим, что крутизна диода обратно пропорциональна суммарному сопротивлению. При этом изменяется крутизна диода. Она равняется .

 =  =  =

 Постоянная составляющая тока и напряжения на нагрузке соответственно равны:

I₌ =         и                U₌= I₌ R_н

Коэффициент передачи детектора в отсутствии емкости нагрузки детектора К_д  равен:

К_д=  = =  =

Так как S  , то К_д  

При отсутствии емкости коэффициент передачи уменьшается в раз.

Входное сопротивление детектора при отсутствии емкости нагрузки.

Угол отсечки в этом случае равен

R_вх =  =  =  =  = 2R_н

Входное сопротивление детектора при отсутствии емкости нагрузки увеличивается до значения удвоенного сопротивления R_н.

· R_вх =2R_н

На рис.6.3.4 приведены зависимости К_д и R_н от величины С_н .

Рис.6.3.4.

Из графиков видно, что при увеличении емкости С_н увеличивается коэффициент передачи детектора К_д, но уменьшается входное сопротивление R_вх.

При выборе емкости нагрузки детектора следует исходить из следующих ограничений:

 а) При С_н = К_дmax приобретает максимальное значение, равное 1.

Величина емкости, при которой коэффициент передачи составляет К_д  0.9К_дmax , называется критической.

С_крит

б) Любой диод обладает паразитной емкостью С₀. Из-за этой емкости к диоду прикладывается не все напряжение источника. С учетом этого обстоятельства С_н выбирается много большим С_н0.

в) Режим модуляции накладывает особые ограничения на выбор элементов нагрузки детектора  R_нС_н. При выделении огибающей АМ колебания в моменты времени протекания тока через диод происходит заряд емкости нагрузки детектора С_н. Время заряда зависит от постоянной времени зарядной цепи _зар=R_iдС_н. При отсутствии тока через диод конденсатор разряжается. Время разряда конденсатора определяется постоянной времени разрядной цепи _разр= R_нС_н . 

Искажения выделяемого сигнала зависит от нескольких условий. Если не соблюдать условия, что постоянная времени цепи нагрузки много меньше периода модуляции R_нС_н  , то изменения выпрямленного напряжения будут отставать от изменения огибающей входного сигнала.

Искажения зависят от параметров цепи R_iд, R_нС_н, глубины модуляции m и частоты модуляции . Из рис.6.3.5. вытекает, что искажения взрастают с повышением частоты модуляции и увеличения глубины модуляции.

                                        Рис.6.3.5

Неверно подобранные параметра цепи детектора приводят к нелинейным искажениям выходного сигнала.

Причиной нелинейных искажений детектора сильных сигналов является инерционность нагрузки детектора.

 Чтобы уменьшить нелинейные искажения постоянную времени цепи нагрузки детектора выбирают из условия:

               R_нС_н  ,

где m – коэффициент глубины модуляции.

 6.5 Работа детектора при воздействии двух колебаний.

Пусть на вход детектора поступает два колебания: полезный сигнал и сигнал помехи с разными частотами:

u₁= U₁ и

Известно, что два колебания разной частоты складываются векторно.

Величина результирующего колебания представляет выражение

U_рез= , где

Если считать детектор безынерционным для разностной частоты, то

U₌= К_д,

Напряжение на нагрузке можно представить в виде

U₌ = К_д U_рез= К_д

Выносим из-под корня U₁.

U₌=К_д  = К_дU₁  , где

х =   2

Если U₁ , то х

Функция при х раскладывается в ряд:

 —   . Подставим значения х в формулу разложения ряда 

U₌ = К_д U₁ (1    = К_д (U₁   U₂ )

 Вывод: Если на вход детектора подается два гармонических колебаний, одно из которых полезное, а другое помеха, то на выходе детектора постоянная составляющая полезного сигнала U₌= К_д U₁, а постоянная составляющая помехи U₌₂= К_д  , а также появляется гармоническая помеха с частотой биений.

Разделим постоянную составляющую помехи на амплитуду входной помехи для определения коэффициента передачи детектора для помехи

 = К_д  = К_д

Вывод: В присутствии сильного сигнала линейный детектор ведет себя по отношению к слабому сигналу как квадратичный детектор, т.е. ослабляет слабый сигнал.

Если полезный сигнал сильный, а помеха слабая, то на выходе детектора улучшается отношение сигнал/помеха. Если сигнал слабый, а помеха сильная, то помеха ослабляет полезный сигнал. Поэтому надо уменьшать помеху в каскадах УПЧ и создавать превышение сигнала над помехой до входа детектора.

Частотный детектор применяют для детектирования частотно модулированных сигналов, информация в которых заложена в изменении частоты.

В частотном детекторе происходит преобразование частотно модулированного сигнала в амплитудно модулированный, из которого выделяется полезная информация.

Существует несколько различных способов преобразования ЧМ-АМ.

Рассматриваем наиболее часто встречающийся способ преобразования: ЧМ-ФЧМ-АМ для схемы частотного детектора с системой связанных контуров, настроенных на одну частоту

      Большинство частотных детекторов построено по дифференциальной схеме с вычитанием напряжения на низкой частоте. Это позволяет получить на переходной частоте нулевое напряжение, расширить линейный участок детекторной характеристики и уменьшить величину комбинационных составляющих в выходном напряжении. На рис.6.6 приведена принципиальная схема частотного детектора с настроенными контурами.

                                                Рис.6.6

В этой схеме оба контура настроены на номинальную промежуточную частоту w_пр приемника. Напряжение этой частоты на каждом из диодов является геометрической суммой напряжения на коллекторе транзистора, которое поступает на среднюю точку второго контура через конденсатор С0, и напряжения на соответствующей половине второго контура. Последнее возникает за счет взаимоиндукции М, существующий между катушками L1 и L2. Ток, выпрямленный диодом Д₁, проходит через резистор R1, дроссель и верхнюю половину катушки L2. Выпрямленный ток нижнего диода Д₂ замыкается через резистор R₂, дроссель и нижнюю половину катушки L₂. Напряжения, созданные этими токами на резисторах R₁ и R₂, включены последовательно и имеют противоположенную полярность. На выходе действует их разность.

В точке резонанса ток I₁ в катушке первого контура отстает по фазе от напряжения U₁ на ней приблизительно на 90 градусов. ЭДС взаимоиндукции Ем, наводимая этим током во втором контуре, отстает от тока I₁ на 90 градусов. Ток I₂ во втором контуре при резонансе совпадает по фазе с Ем. Напряжение U₂` и U<sub>2</sub>« на обеих половинах катушки L<sub>2</sub> сдвинуты относительно тока I<sub>2</sub> на 90 градусов и взаимно противоположны по фазе, если отсчитывать их от средней точки катушки. Напряжение на каждом из диодов получается геометрическим сложением вектора U1 с одним из векторов U2` и U2«. Векторная диаграмма рис.6.7

 показывает, что напряжение на входе обоих диодов имеет одинаковую величину  и поэтому разность напряжений, выпрямленных обоими диодами равно нулю

                  Рис.6.7

Когда частота начинает уменьшаться , в контуре вторичной обмотки преобладает индуктивное сопротивление, т.е. контур носит индуктивный характер. Ток в контуре  отстает от от ЭДС_м рис.6.8 на угол, зависящий от изменения частоты, и результирующий вектор суммарного напряжения на входе диодов изменяется, пропорционально изменению частоты.

                      Рис.6.8

Так как напряжение , то на выходе частотного детектора напряжение положительное.

Когда частота увеличивается , контур вторичной обмотки приобретает емкостной характер, ток в контуре  опережает ЭДС_м , на угол, зависящий от изменения частоты, напряжение на катушке контура сдвинуто на 90⁰, результирующее напряжение на диодах изменяется пропорционально изменению частоты

               Рис.6.9

Если , то напряжение на выходе детектора становится отрицательным.

В результате получается, что амплитуда результирующего напряжения на входе диодов в каждый момент времени имеет величину, которая зависит от модулирующего сигнала.

Частотно модулированное колебание преобразуется в амплитудно модулированное.

 Огибающие колебаний на входе каждого диода рассчитываются по формуле:

где ( ) – сдвиг между векторами напряжений равен разности мгновенных частот ;

     частота передаваемой информации.

Напряжение на резисторах:                                                                                                                            

Выходное напряжение снимается с двух последовательно включенных резисторов:

Основной характеристикой частотного детектора является детекторная характеристика. Детекторная характеристика это зависимость амплитуда напряжения на выходе детектора от изменения частоты модуляции  рис.6.10.