книги / Радиоприемные устройства.-1
.pdfОтметим, что по своим параметрам и характеристикам ПУ в настоящее время не уступают, а в ряде случаев превосходят усилители других видов и наиболее близки к молекулярным усилителям. Это касается, прежде всего, их усилительных свойств. Существовавший ранее значительный проигрыш в ве личине коэффициента шума ПУ (сравнительно с молекулярным усилителем) в последнее время снижается. Это объясняется разработкой и использованием новых полупроводниковых диодов с высоким значением критической часто ты, применением оптимальных режимов работы ПУ, охлаждения нагрузки, циркулятора, нелинейного элемента и т.д.
Следует обратить внимание на то, что ПУ свободен от ряда недостатков, свойственных молекулярному усилителю (громоздкость конструкции, необ ходимость использования дорогостоящих магнитных систем, потребность в значительном охлаждении до температуры жидкого гелия, большое время вос становления после приема мощного импульсного сигнала и т.д.) ,
ВОПРОСЫ для САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ
5.1. Какие требования предъявляются к преобразователям частоты? 5.2. В чем сущ ность метода получения основных характеристик преобразователя частоты? 5.3. Как ре жим работы нелинейного элемента влияет на работу преобразователя частоты? 5*4. Чем определяется коэффициент преобразования? 5.5. Начертите схемы преобразователей час тоты, укажите назначения всех элементов. 5.6. Для чего используется балансный преобра зователь частоты? 5.7. Укажите виды источников шума в преобразователе частоты и спо собы уменьшения их влияния на работу РПУ. 5.8. В чем отличие характеристик диодного и транзисторного преобразователей частоты? 5.9. Какие требования предъявляются к гетеродинам РПУ? 5.10. Из каких соображений выбирается промежуточная частота супергетеродинного'РПУ? 5.11. В чем заключается физическая сущность работы параметриче ских усилителей различных видов? 5 .1 2 . Начертите эквивалентную схему параметрическоко усилителя. Укажите, как она используется для определения его основных характери стик. 5.13. Как выбирается частота генератора ’’накачки” в параметрических усилителях различных видов? 5.14. Укажите частотные области применения преобразователей частоты, различных видов.
14 Зак. 5685
6.ДЕТЕКТОРЫ РАДИОСИГНАЛОВ
6.1.Классификация детекторов и требования к ним
Втракте основной избирательности РПУ радиосигнал может быть пред ставлен в виде обобщенного квазигармонического колебания
u(t) |
= |
Um sin(co t + </?)> |
(6Л) |
где функции U |
, со , у отражают закон модуляции. |
|
|
В случае частных видов модуляции из (6.1) следует: |
|
||
для AM |
|
|
|
u(t) |
= |
£/m (r)sin(co0f+ (р); |
(6.2) |
для ЧМ |
|
t |
|
|
|
|
|
u(t) |
= |
Um sin(o)01+ S / v { r ) d T )\ |
(63) |
для ФМ |
|
|
|
u(t) |
= |
Um sin(cjQt + S ifi(t)). |
(6.4) |
Задачей детектора РПУ является выделение с допустимыми искажениями модулирующего сигнала из высокочастотного колебания (6.2)—(6.4).
В зависимости от вода модулирующих сигналов и параметров в детекторе
возможен стационарный или |
нестационарный режим работы. Для последнего |
режима необходимо учесть |
переходный процесс в выходном колебании |
мвых (0» возникающий при скачке модулирующей функции: для AM u (t) = |
= U |
sign t ; для ФМ |
Q |
6 |
u(ih |
|
6
иШк
Рис. 6 .1
Рис. 6 J
<р(О = 0osiSnr |
(6.5) |
Случай детектирования радиоимпульсов (одиночных или последователь ности) является частным случаем детектирования амплитудно-манипулиро- ванных сигналов (рис. 6.1, а, б) . На рис. 6.1, в показан сигнал с манипуляцией фазы (поворот по фазе на тг).
Вспектре квазигармонического колебания (6.1) не содержатся компо ненты модулирующего сигнала. Поэтому линейное преобразование этого коле бания, т. е. его фильтрация, для целей детектирования оказывается непригод ным. При детектировании необходимо использовать нелинейное или парамет рическое преобразование входного сигнала u(t) (см. § 1.2) .В связи с этим различают нелинейные и параметрические детекторы.
Вобщем случае любой детектор может быть представлен структурой (рис. 6.2), содержащей: 1) источник сигнала с параметрамиZ т , ет, т. е. пред
шествующий каскад, в супергетеродинном РПУ - это последний каскад УПЧ; 2) собственно детектор, т. е. нелинейное или параметрическое устройство, в котором осуществляется преобразование модулированного колебания в коле бание, спектр которого содержит составляющие модулирующего сигнала; 3) фильтр нижних частот ФНЧ, отделяющий спектр модулирующего колеба ния от спектров других колебаний, которые могут возникать на выходе соб-* сгвенно детектора. Вследствие фильтрации в нагрузке с сопротивлением Z H выделяется выходное полезное колебание мвых
В собственно детекторе могут быть использованы различные физические процессы. Например, в нелинейном AM-детекторе сначала с помощью нелиней ного элемента осуществляются нелинейные преобразования входного сигнала u (t) , что приводит к появлению в преобразованном спектре составляющей мо дулирующей частоты. Так как полученный спектр содержит и другие побоч ные составляющие высоких частот, то их следует подавить с помощью ФНЧ.
При детектировании ЧМ (ФМ)-сигналов один из приемов основан на ис пользовании вспомогательного преобразования ЧМ(ФМ)-колебания в АМколебание, что также осуществляется в структуре собственно детектора, пос ле чего AM-сигнал детектируется AM-детектором, а фильтрация полезного ко лебания также осуществляется с помощью ФНЧ, Возможно использование и других физических процессов.
Собственно детектор в общем случае содержит линейную и нелинейную (параметрическую) цепи, включающие двухполюсные компоненты (напри мер, нелинейные или параметрические диоды), а также более сложные элект ронные приборы и микроструктуры (транзисторы, электронные лампы, опера
ционные усилители, интегральные модули и т.д.). Независимо от вида сигнала
u(t) |
и способа детектирования к детектору РПУ предъявляют ряд общих тре |
|
бований. К ним относятся следующие: |
||
|
1) |
высокая эффективность преобразования закона модуляции в выход |
ной модулирующий сигнал иш х (t) . Общей характеристикой такого преобра |
||
зования |
является детекторная характеристика, т. е. зависимость мвых или |
|
*вых |
от изменения информативного параметра X закона модуляции; для АМ- |
амплитуды огибающей входного сигнала ЛUm = Um (t) - £/m0, где UmQ — амплитуда несущего колебания; для ЧМ-отклонения частоты модулированно го сигнала Асо отнорительно центральной частоты, т. е. частоты сигнала CJ( 0 без модуляции соц : Асо = co(f) —соц; для ФМ-отклонения фазы модули рованного сигнала А о т фазы опорного колебания <р0 , относительно которо го ведется отсчет <p(t) = <р(0 —
Желательно, чтобы детекторная характеристика была линейной, так как при линейном законе модуляционной характеристики радиопередающего уст ройства это обеспечит отсутствие искажений в законе модуляции (см. рис.6.3,
где X - |
информативный параметр закона модуляции; X = AC/m ; X = Асо ; |
X = Д</>; |
XQ — значение параметра при отсутствии модуляции: 1 —линейная |
детекторная характеристика; 2 — нелинейная детекторная характеристика), Для конкретных видов детекторов вводят параметры, характеризующие некоторые свойства детекторной характеристики. Так, для AM-сигналов ко эффициент передачи детектора К ^ для гармонического закона модуляции
огибающей АМ-сигнала |
|
ит = ит0( 1+ " с о я а о , |
(6.6) |
где UmQ —амплитуда несущего колебания; т —коэффициент глубины моду ляции; Л - частота модуляции, определяется следующим образом:
Uт£1
(67)
mUт О
Как следует из (6.7),А“дт —это отношение амплитуды Um п выходного сигна ла к амплитуде огибающей входного сигнала mUmQ .
Для сигнала с угловыми видами модуляции коэффициент передачи /Гдт — это отношение амплитуды выходного сигнала Um п к амплитуде входного сиг нала с оговоренными условными параметрами модуляции Дсотах или Дртах
Иногда используют производную от детекторной характеристики на ее ли нейном участке, называемую крутизной детекторной характеристики:
2)малые линейные искажения при детектировании, обусловленные нали чием в структуре, приведенной на рис. 6.2, реактивных компонентов;
3)малые нелинейные искажения, возникающие прежде всего из-за присут ствия в структуре, изображенной на рис. 6.2, нелинейных компонентов (нели нейное детектирование) или неидеальности параметрических компонентов, обычно являющихся на практике нелинейно-параметрическими. На нелиней ные искажения выходного сигнала детектора могут влиять также специфиче ские физические процессы в схемах детекторов;
4)высокое входное сопротивление для тока высокой (промежуточной)
частоты
< 6 5 >
*•
где UmCJ, / щС0 —амплитуды соответственно напряжения и тока первой гармо ники сигнала во входной цепи детектора со стороны источника (ег , Z r) (см. рис. 6.2). Импеданс Z BX оказывает шунтирующее действие на колебательную цепь в последнем каскаде УПЧ РПУ и вызывает ее расстройку.
6.2.Детекторы АМ-сигналов
6.2.1.Виды детекторов
Всобственно детекторе на основе нелинейных элементов используются двухполюсные полупроводниковые или вакуумные диоды (один или несколь ко) (рис. 6.4,д, б) , трехполюсные компоненты (транзисторы) (рис.6.4, в), со
четания интегральных компонентов (операционных усилителей ОУ с полупро водниковыми диодами, рис. 6.4, г ) . Возможны различные способы включения ФНЧ и нагрузки детектора: путем каскадирования (цепочечного соединения) (см. рис. 6.2) или более сложным путем (например, для трехполюсных ком понентов в цепь общего электрода) (рис. 6.4, д) и т.д.
В детекторах на основе параметрических элементов (синхронные детекто ры) используется принцип управления параметром цепи (обычно коэффициен том передачи) с помощью колебания вспомогательного источника (см. § 1.2), Синхронный детектор содержит собственно детектор, генератор опорного ко лебания, синхронизируемый с точностью до фазы принимаемым колебанием, и ФНЧ, полоса пропускания которого равна полосе модулирующих частот (рис. 1.10).
В зависимости от способа реализации различают синхронные детекторы на основе перемножителей и нелинейных элементов. Так, например, при квадри-
ровании в нелинейном элементе суммы |
(xt + * 2) |
получаем член, содержащий |
произведение переменных х х и х 2 , так |
как (хг |
+ * 2) 2 = х 7х + 2х{х 2 + х* |
Возможна разновидность последнего метода, реализуемого при детектирова нии сигналов и помех с помощью амплитудного детектора, на вход которого
подается интенсивное |
колебание вспомогательного опорного генератора. |
В основе другого |
принципа классификации синхронных детекторов ле |
жит способ синхронизации опорного колебания. В связи с этим различают два основных метода: фазовой авто подстройки частоты (ФАПЧ) опорного генера тора и фазовой автоподстройки частоты гетеродина РПУ.
Следует заметить, что метод приема с использованием синхронного детек тора иногда называют методом когерентного приема, подчеркивая тем самым полезное использование информации о фазе сигнала. В отличие от этого метода прием с использованием обычного детектора, реагирующего только на амплитуду сигнала и не чувствительного к его фазе, называют некогерент ным приемом.
6.2.2. Метод анализа нелинейных амплитудных детекторов
Рассмотрим обобщенную структуру амплитудного детектора (рис.6.5), заменив собственно детектор эквивалентным четырехполюсником, где / , и —
соответственно входные |
ток и напряжение высокочастотного колебания; |
/_ , V= —соответственно выходные ток и напряжение модулирующего низко |
|
частотного колебания; Z |
- полное сопротивление нагрузки. |
Пренебрегая инерциеи элементов в собственно детекторе и рассматривая сначала модуляцию на низких частотах, когда Z H = R , запишем для струк туры, приведенной на рис. 6.5, следующую систему алгебраических уравнений:
i = |
/ 1( м . Ю ; |
(6.10) |
/= = |
f 2(u ,U J -, |
(6.11) |
и = |
Ч Л |
(6.12) |
Функции (6.10), (6.11) называются колебательной характеристикой и характеристикой выпрямления, а (6.12) - нагрузочной характеристикой де тектора.
В результате исследования системы (6.10) —(6.12) можно найти парамет ры детектора. Однако общего аналитического решения такой системы не су ществует. Поэтому ее решение обычно выполняется для некоторых частных случаев (конкретных схем детекторов и аппроксимаций характеристик не-
L
а |
9 |
7 |
^ |
и - |
|
' 11 |
Собственно |
и, |
|
детектор |
|||
|
|||
f _ |
о |
||
о |
|||
4 |
|||
/ |
4т |
Рис. 6. 5
линейных элементов) или для малых изменений амплитуды Um входного сиг нала м(/). В последнем случае представляется возможным получить решение (6.10)—(6.12) , а также учесть комплексность нагрузки Z H .
При малых изменениях входного сигнала Дм соответствующие изменения
i ,/ ^ , U__ будут также малы. Поэтому из (6.10), (6.11) следует: |
|
||||
|
d ft |
d ft |
|
Аи |
(6.13) |
ы = |
— |
Aw + — |
|
||
|
ди |
dU__ |
~ |
|
|
д /_ = |
<va |
dh |
" |
|
(6.14) |
■— |
Aw + — |
ACL ’> |
|||
|
ди |
dU_ |
~ |
|
Аналогично малосигнальным параметрам линейного четырехполюсника (см. (2.35)) введем соответствующие параметры четырехполюсника, эквива лентного собственно детектору для малых изменений токов и напряжений:
Кd fi
---- = |
f'll |
---- |
= |
G |
ди |
11д |
dU_ |
|
12Д |
дА - с |
Лд |
|
(6.15) |
|
= |
G22д |
|||
ди |
21д’ |
dU= |
|
|
Если амплитуда u(t) изменяется по гармоническому закону, т. е. Дм = = mUm0cos£lt , то малым ее изменениям соответствуют гармонические зако ны изменения Д /, Д/_ и Ш _ . Тогда
Ы = 4 / и , Ы , - , L V m - v n a , (6 ,16)
где Im a , £/mft “ амплитуды соответственно тока и напряжения частоты 12 .
Система (6.10)—(6.12) с учетом (6 л 3) —(6.16) может быть представлена следующим образом:
Ч о |
= G n a m U mO + |
° 1 2 л и т П |
(6.17) |
|
““ G2lnm ^m0 |
(6.18) |
+ ^ 2 2 д ’ |
207
и.
'т Л
%
Рис. 6 .6
U , = - £/ = - I „ R |
(6 Л 9) |
||
т П |
н |
т Г2 н |
|
Решая совместно (6.18), (6.19), получаем выражения для выходных тока и напряжения модулирующей частоты в зависимости от уровня входного
сигнала и глубины модуляции т: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
g 2lBWt/mO |
|
|
|
Crt mu |
R |
|
|
|||||
|
|
|
и |
= / n R ш - 1 1* .. т0 " |
(6.20) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
1 + С2 2 дЛ н |
Ш14 |
m li |
н |
I 1 л |
п |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 + С2 2 д Л н |
|
|
|
||||||
откуда коэффициент передачи детектора |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Кдт |
= |
UтП |
|
|
|
J u |
A L ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
mUт О |
|
|
1 + С2 2дЛн |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В уравнении (6.20) можно учесть комплексность нагрузки Z |
" |
: |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
А |
n |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
21 д |
mU |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
mO |
|
|
|
|
|
|
|
(6 .21) |
||
|
|
|
1 + (Я,- |
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
д |
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Общая эквивалентная схема выходной цепи детектора, независимо от спо |
|||||||||||||||
соба его выполнения, в соответствии с (6.21) |
аналогична схеме, приведенной |
||||||||||||||
на рис. 6.6. Используя |
(6.17), |
(6.19), легко определить выражение для вход |
|||||||||||||
ного сопротивления детектора |
Z BX (см. (6.9)). |
|
|
|
|
|
|||||||||
Входящие в расчетные формулы (6.20), (6.21) параметры детектора |
|||||||||||||||
(6.15) могут быть найдены: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1) |
экспериментальным путем на основе известного метода характеристи |
||||||||||||||
ческого треугольника по снятым зависимостям колебательных характеристик |
|||||||||||||||
(6.10) и характеристик выпрямления (6.11) |
в соответствии с определениями |
||||||||||||||
(6.15) |
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G11д |
|
Aw Д(/_ = о ’ |
12 д |
— |
'I |
|
|
|
|
|||||
|
|
A |
Ад = о ’ |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
д / = |
|
|
|
|
|
д / = |
|
|
|
|
|
|
|
G21Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Ди |
|
&и_ = о* |
22д |
A U= | Дм= о ’ |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2) |
расчетным путем для конкретного вида детектора. |
|
|
|
|
6.2.3. Влияние уровня входного сигнала на работу амплитудного детектора
Как известно, отклик на воздействие в нелинейной цепи зависит от вида и уровня этого воздействия. Поэтому можно предположить, что характеристики детектора определяются уровнем входного сигнала.
Рассмотрим решение системы (6.10) —(6.12) для распространенного слу чая детектирования с использованием нелинейности полупроводникового дио да в схеме диодного детектора (рис. 6.7). Известно, что вольт-амперная харак теристика диода в широком диапазоне токов и напряжений аппроксимируется экспоненциальной зависимостью
|
|
|
(6.22) |
где I —обратный ток диода; |
у —показатель экспоненты (у = q /k T , для Т = |
||
= 293 К |
у ъ 4 0 В - ') . |
|
|
Как |
следует из рис. 6.7, напряжение на аноде диода при гармоническом |
||
входном сигнале |
и (/) = Um coscot равно: |
||
и — С/ |
cos со г + t/_ , |
(6.23) |
|
|
a m |
= |
|
где U_ = ~/_Л н , так как постоянное напряжение создает на аноде диода отри цательное смещение.
Подстацляя (6.23) в (6.22) и используя разложение колебания i(t) с по мощью функций Бесселя/к , окончательно получаем
i = /,(*7П= ( / 0( ^ ) + 2 J i/ K(Km)cos*coO - 1), |
(6.24) |
где Vm = yUm , = yU _ —нормированные значения Um и U_ Выделим в (6.24) следующие компоненты токов:
1) постоянного , соответствующего амплитуде входного колебания Um-
V
(6.25)
2) переменного с частотой со
V
(626)
С
Рис. 6J7
В соответствии с определениями (6.10), (6.11) семейство (6.25) является семейством характеристик выпрямления диодного детектора, семейство (6.26) —семейством колебательных характеристик.
Для определения детекторной характеристики, т. е. зависимости /_ = = Д U ), решим совместно (6.25) и (6.12):
Введя напряжение 01 = |
-U _ |
и формированные величины |
Vm и V* = |
= —у U= , получаем F I = 1К ну(е |
=/ 0 (Km) - 1) или |
|
|
VL = |
- 1 ) , |
(6.27) |
|
где а = y I R H —параметр. |
|
|
|
Так как (6.27) не может быть разрешено относительно |
в явном виде, |
то нормированную детекторную характеристику удобно представить в графи ческом виде (рис. 6.8).
Из рис. 6.8 и анализа (6.27) можно сделать следующие выводы:
1) с увеличением параметра а детекторная характеристика становится бо лее линейной, а ее крутизна возрастает, что приводит к повышению К , по этому детекторные диоды должны иметь большие показатели экспоненты, а в схеме детекторов следует применять высокоомные нагрузочные сопротивле н и я ^ ;
2) с увеличением уровня сигнала U возрастает линейность детекторной характеристики и, наоборот, детектирование малых сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.
Последний вывод не является частным и справедлив не только для экспо ненциального нелинейного элемента. Действительно, непрерывная вольт-ам- перная характеристика / = Дм) в самом общем виде в области малых аргумен тов может быть единственным образом представлена в виде ряда Тейлора:
«’ |
= |
т |
f{(0) |
f t 0) |
(628) |
= /(О) + |
н2 + ..., |
||||
где /(0 ) |
- |
постоянный ток покоя нелинейного элемента; /6 0 |
(0) —производ |
||
ная л-го порядка в точке м = 0. |
|
|
|||
Подставив в (6.28) входное воздействие и = Umcos со/ и пренебрегая при |
|||||
малых токах i |
влиянием смещения |
, находим постоянную составляющую |
тока /_ » /(0 ) + ~ f'(0 ) U m7 , откуда следует уравнение детекторной харак
теристики
д /= = / = -Д О ) =
Таким образом, при малых воздействиях детекторная характеристика до-