Введение

Передача  информации  в  пространстве  с  помощью  радиоволн осуществлялась со времени изобретения радио в конце девятнадцатого века. В настоящее время интерес к радиосвязи возрос в связи с тенденцией отказа от проводов. Появился модный термин «беспроводная связь» (wireless), что является синонимом «радиосвязи».

Сигнал звуковой частоты содержит весьма низкие частоты – порядка герц и килогерц. Такие частоты бесполезно излучать в пространство, поскольку антенна излучает только в том случае, когда ее размеры соизмеримы с длиной излучаемой волны или больше ее.

Необходимо переместить спектр сигнала по оси частот вверх в тот  диапазон,  частоты  которого  эффективно  излучаются.  С  этой  целью необходимо осуществить две операции:

          создать высокочастотное электромагнитное поле;

          модулировать высокочастотное излучение звуковым сигналом [1].

Детекторы производят обратную операцию, демодуляцию, чтобы выделить из принятого сигнала звуковые частоты.

Существует несколько видов модуляции:

          амплитудная (АМ);

          частотная (ЧМ);

          фазовая (ФМ).

Именно вопросам частотных детекторов радиоприёмных устройств и посвящена данная работа.

1. Частотные детекторы. Принцип действия

Устройство, предназначенное для выделения информации из гармонического колебания с изменяющейся амп¬литудой, частотой или фазой называют детектором, то есть детектор выполняет операцию извлечения информации, заложенной в гар¬моническое колебание модулятором. В процессе детектирования восстанавливается исходная информация, следовательно, процесс детектирования является обратным процессом по отношению к модуляции и поэтому вместо терминов «детектор», «детектиро¬вание» часто используют термины «демодулятор», «демодуля¬ция». В зависимости от вида модулирующей функции различают три основных типа детекторов:

          амплитудный детектор (АД);

          фазовый детектор (ФД);

          частотный детектор (ЧД).

Поскольку работа посвящена частотному детектору, обратимся непосредственно к нему.

Частотный детектор (ЧД) предназначен для выделения мо¬дулирующей функции из ЧМ-сигнала, то есть ЧД преобразует входной ЧМ-сигнал

uвх(t) = Uc*cos((ωc + Δω(t))*t + φc)                                     (1)

в выходной сигнал

uвых(t) = КЧД* Δω(t),                                             (2)

где Uc, ωc = 2πfc,  φc -  амплитуда, средняя частота (обычно проме¬жуточная) и начальная фаза ЧМ-сигнала;

Δω(t) – модулирующая функция, отражающая закон изменения передаваемой информации: Кчд - const - (размерный) коэффициент передачи ЧД.

Одним из наиболее важных показателей любого детектора является детекторная характерис¬тика, представляющая собой зависимость постоянного напряже¬ния U0 на его выходе от изменяющегося параметра входного сигна¬ла. На рисунке 1 представлена детекторная характеристика частотного детектора.

Рисунок 1 - Детекторная характеристика частотного детектора

Кроме того, существуют такие показатели ЧД, как:

          коэффициент передачи по напряжению, который определяется при изменении частоты по гармоническому закону Δω(t) = Δωm*cosΩt, где Δωm - девиация частоты, как отношение амплитуды Uω напряжения на выходе ЧД к амплитуде напряжения входного сигнала: Кчдu = Uω/ Uc;

          коэффициент фильтрации, определяемый отношением Кф = Uc вых/ Uc, где Uc вых — амплитуда напряжения сигнала (про¬межуточной частоты), проникающего на выход детектора;

          частотные и нелинейные искажения, которые определя¬ются при изменении частоты ЧМ-сигнала по гармоническому закону. Частотные искажения оценивают по частотной характеристике ЧД, представляющей собой зависимость амплитуды напряжения на выходе ЧД от частоты модулирующего сиг¬нала Ω: UΩ = Ψ(Ω). Для оценки нелинейных искажений пользу¬ются коэффициентом гармоник:

Кг = √(U^2 2Ω+U^2 3Ω…)/UΩ                                                   (3)

При использовании ЧД по основному назначению, то есть для детектирования сигналов, его детекторная характеристика должна быть линейной, раствор характеристики должен обеспе-чить заданные пределы изменения частоты. Так как детек¬торная характеристика проходит через нуль, ЧД может быть использован в качестве различителя (дискриминатора) частоты в системах автоматической подстройки частоты.

Частотным  детектором  называется  устройство,  служащее  для  получения  напряжения, изменяющегося  в  соответствии  с  законом  изменения  частоты  входного  сигнала.  При частотной  модуляции  (ЧМ)  гармоническим  сигналом  входной  сигнал  описывается выражением:

uвх=Uвх*cosωвх(t)t,                                                (4)

где ωвх(t)=ωн-Δωmax *cosΩt;                                         (5)

ωн – угловая частота несущего колебания,

Δωmax – девиация угловой частоты входного сигнала,

Ω - угловая модулирующая  частота.

На рисунке 2  показаны соответствующие временные зависимости.

Рисунок 2 – Графики функций uвх(t)  и ωвх(t)

Принцип  частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ  колебания  в  линейной  системе  в колебания  с  другим  видом  модуляции  с последующим  детектированием преобразованного  колебания без инерционной нелинейной цепью.

Преобразовать ЧМ колебание можно в колебания следующих  видов:

          амплитудно – частотно – модулированное (АЧМ), у которого амплитуда меняется в соответствии с изменением частоты колебания при сохранении частотной модуляции. Это преобразование можно осуществить в линейной цепи с реактивными элементами, сопротивление которых зависит от частоты. АЧМ колебания затем детектируются  АД;

          фазочастотное с последующим фазовым детектированием.

Очевидно, в конечном итоге в любом случае изменение частоты преобразуется в изменение амплитуды непосредственно или в фазовом детекторе [2].

Структурная схема ЧД показана на рисунке 3, амплитудный ограничитель служит для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ-колебания.

Частотный детектор должен осуществлять преобразование частотно-модулированного радиосигнала в напряжение, меняющееся во времени по тому же закону, что и частота детектируемого  радиосигнала. Такое преобразование колебаний может осуществить без искажений устройство, обладающее тем свойством, что  мгновенное значение напряжения на его выходе (uвых) является линейной функцией мгновенного значения частоты колебаний,  воздействующих на вход (fвх):

uвых = A + B*fвх,                                                     (6)

где А и В — постоянные величины.

Важно, чтобы характеристика частотного детектора не зависела ни от каких других параметров, кроме мгновенной частоты радиосигнала, в  частности, не зависела от амплитуды радиосигнала, которая в реальных условиях обычно несколько меняется вследствие паразитной  амплитудной модуляции в канале радиопередающего устройства, а также из-за влияния помех [3].

Временные диаграммы, поясняющие  преобразование ЧМ колебаний в колебания с амплитудной  модуляцией, показаны на рисунке 6.

2. Частотный детектор с одиночным контуром

Простейшим детектором с преобразованием ЧМ – АЧМ является ЧД детектор с одиночным колебательным контуром (рисунок 7).

Для преобразования ЧМ – АЧМ используется наклонный участок амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) контура, где зависимость Uk от f близка к линейной (рисунок 8).

При этом контур расстроен относительно несущей частоты сигнала. Напряжение на выходе ЧД будет определяться формулой:

ЕД = Uk*cosφ = (Uk0*cosφ)/√(1+(2*(fc-f0))/(f0*dэ)) ,                                          (7)

где cosφ - коэффициент передачи АД.

Характеристика детектирования, построенная в соответствии с выражением (6), по форме совпадает с отрезком АЧХ используемой в ЧД линейной цепи (в данном случае с отрезком резонансной характеристики контура).

Недостатками этих простейших детекторов являются:

          недостаточная линейность характеристики детектирования (линейность можно несколько повысить, увеличивая добротность контура);

          относительно малая крутизна характеристики детектирования;

          при  изменении  знака  отклонения  от  несущей  частоты,  выходной  сигнал  не меняет  знак  (характеристика  не  проходит  через  0),  следовательно,  такой детектор нельзя использовать в системе автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Эти недостатки устраняются в балансных ЧД.

3. Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами

Схема балансного частотного детектора с взаимно расстроенными контурами показана на рисунке 9 и представляет собой два ЧД с одиночными контурами, расстроенными относительно несущей частоты сигнала в разные стороны на одну и ту же величину δf. Например:

f01 = fн + δf                                                           (8)

f02 = fн -  δf                                                           (9)

где fн – несущая частота.

Рисунок 9 - Схема балансного частотного детектора с взаимно расстроенными контурами

Напряжение на выходе балансного ЧД определяется разностью выходных напряжений одиночных ЧД, то есть: 

Ед = Ед1 - Ед2,                                                    (10)

где  Ед1 и Ед2 - выходные напряжения одиночных ЧД.

Результирующая характеристика детектирования (рисунок 10) балансного ЧД с взаимно расстроенными контурами практически симметрична, следовательно, отсутствуют искажения по чётным гармоникам (выше линейность), характеристика имеет большую  крутизну и проходит через ноль, отображая не только величину, но и знак отклонения частоты от несущей.

Очевидно, при слишком сильной расстройке между контурами характеристика детектирования становится нелинейной [4].

Заключение

По итогам работы сделаем некоторые выводы:

          Устройство, предназначенное для выделения информации из гармонического колебания с изменяющейся амплитудой, частотой или фазой называют детектором.

          Детектор выполняет операцию извлечения информации, заложенной в гармоническое колебание модулятором.

          В зависимости от вида модулирующей функции различают три основных типа детекторов:

          амплитудный детектор (АД);

          фазовый детектор (ФД);

          частотный детектор (ЧД).

          Частотный детектор (ЧД) предназначен для выделения модулирующей функции из ЧМ-сигнала.

          Существует несколько видов частотных детекторов.

В данной работе рассмотрены два типа ЧД:

          Частотный детектор с одиночным контуром.

          Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами.

Список использованных источников

1. Романюк В. А. Основы радиосвязи: учебник для вузов/ В. А. Романюк. - М.: Издательство Юрайт, 2019. — 258 с. — Серия: Специалист - ISBN 975-5-534-00675-9

2. Логвинов В.В. Радиоприемные устройства.  – М.: Издательство МТУСиИ, 2016. – 70 с.

3. Власов В.Ф. Курс радиотехники /2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2017. - 928 с.

4. Новожилов, О.П. Схемотехника радиоприемных устройств: учеб. пособие для академического бакалавриата / О.II. Новожилов. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2019. — 256 с. — ISBN 978-5-534-05574-0