Кольцевой фазовый детектор. Схемы фазовых детекторов. Импульсные и цифровые детекторы

Цифровые детектры - 2 -

ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

В большинстве современных радиоэлектронных систем приемные устройства представляют собой весьма сложную структуру, реализующую обработку аналого­вых сигналов цифровыми методами. Одним из основных их элементов являются импульсные и цифровые детекторы.

Фазовый детектор на логических элементах

Такие детекторы выполняют на дискретных логических элементах, и их часто называют импульсными. В фазовых детекторах на логических элементах ФМ-колебание преобразуется в импульсное напряжение, скважность импуль­сов которого зависит от фазы входного сигнала.

На рис. 6.25, а приведена схема фазового детектора, а на рис. 6.25, б - е диаграммы, поясняющие его работу.

Импульсный фазовый детектор имеет два входа, на один из них пода­ется ФМ-сигнал u ФМ (t ) = u ФМ (рис. 6.25, б), на другой - опорное напря­жение u ОП (t ) = u ОП (рис. 6.25, г). ФМ-сигнал и опорное напряжение по­ступают на формирующие устройства УФ 1 и УФ 2 соответственно, в качестве которых и используются компараторы. На выходах УФ возника­ют последовательности прямоугольных импульсов u 1 и u 2 (рис 6.25, в, д), длительности которых равны соответственно полупериодам входных коле­баний - ФМ-сигнала и опорного напряжения. Сформированные им­пульсные напряжения u 1 и u 2 поступают на логическое звено И, в качестве которого используются логический элемент И-НЕ. Импульсное напряжение u и амплитудой U 0 на выходе этого звена формируется только при одновременном действии напряжений u 1 и u 2 (рис. 6.25, е) ФНЧ вы­деляет из этого напряжения постоянную составляющую, амплитуда кото­рого U c определяется формулой (ее нетрудно вывести):

Согласно (6.16), выходное напряжение U c фазового детектора на ло­гических элементах линейно зависит от сдвига фазы ФМ-сигнала относи­тельно фазы опорного напряжения.

Цифровой фазовый детектор

Проанализируем процессы детектирования так называемого знакового сигнала, представляющего собой последовательность потенциальных импульсов («еди­ниц») и пауз («нулей»). Простейшими аналогами таких колебаний являются сиг­налы с ШИМ, или ФИМ.

Рассмотрим фазовое детектирование периодической Последовательности прямоугольных импульсов. Заметим, что задержка на некоторое время τ пе­риодического сигнала с периодом следования Т эквивалентна повороту его фазы на определенный угол φ = 2πτ /T . Простейшая схема цифрового фазового детектора (ЦФД) приведена на рис. 6.26, а.

ЦФД выполнен на интегральном JK -триггере, к выходу которого под­ключен фильтр нижних частот в виде интегрирующей RC -цепи. На рис. 6.26, б показаны временные диаграммы напряжений знакового сигнала u ФМ (отра­жающего ФМ-колебание), тактовой последовательности импульсов u оп (т. е. опорного напряжения, с фазой которого сравнивается фаза знакового сигна­ла) и сигнал U (t ) на выходе ЦФД. Импульсный сигнал Q на выходе JK - триггера соответствует его таблице истинности.

Как следует из диаграмм напряжений, длительность выходных импульсов триггера пропорциональна временному (а, значит, и фазовому) сдвигу между колебаниями u ФМ и u оп. Напряжение на выходе ЦФД U (t ) образуется сглажи­ванием импульсов Q в ФНЧ.

Цифровые фазовые детекторы могут быть построены не только на инте­гральном JK - триггере, но и на других логических схемах: элементе «Исключающее ИЛИ», RS - триггере и пр. С помощью этих схем достаточно просто удается получить длительность выходных импульсов, прямо пропорциональную временной задержке между сигналами u ФМ и u оп, после чего сгладить эти импульсы в ФНЧ. На рис. 6.27, а в качестве примера приведена схема ЦФД на элементе «Исключающее ИЛИ» (Сумматор по модулю два ). Временные диаграммы работы ЦФД показаны на рис. 6.27, б. В этой схеме импульсное напряжение у, сформированное в схеме «Исключающее ИЛИ», подается на ФНЧ. Напряжение U (t ) на выходе ФНЧ пропорционально сдвигу ФМ-сигнала относительно опорного u оп. Этот детектор более помехо­устойчив, чем ЦФД на триггере. Дело в том, что триггеры срабатывают по фронтам импульсов, поэтому в случае «дребезга» этих фронтов выходной сигнал ЦФД может оказаться существенно искаженным. Напротив, схема «Исключающее ИЛИ» работает по уровням входных сигналов, поэтому короткие шумовые или помеховые импульсы, приводящие к «дребезгу» фронтов этих сиг­налов, не могут заметно исказить выходное напряжение.

Методы детектирования и характеристики детекторов

Детектирование — процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания или сигнала.

Детектирование может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме сигналов.

При когерентном приеме, при детектировании, используются данные о начальной фазе сигнала.

При некогерентном приеме, при детектировании, не используются данные о начальной фазе сигнала.

Детектирование осуществляется в устройствах — детекторах. Условное графическое обозначение детектора имеет вид:

Рисунок 38 - Условное графическое обозначение детектора: а) при когерентном приеме, б) при некогерентном приеме

Характеристиками детектора являются: детекторная, частотная характеристики и коэффициент передачи.

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. При АМ информационным параметром является амплитуда, при ЧМ частота, при ФМ фаза.

Идеальная характеристика является линейной проходя через начало координат под углом a к оси абсцисс (рисунок 39). Реальная характеристика имеет отклонение, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 39 - Детекторная характеристика детектора

Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения Um u детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Um u на всех частотах (рисунок 40). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Рисунок 40 - Частотная характеристика детектора

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um u к амплитуде приращения информационного параметра несущей

Кд = Um u / ?Um . (27)

Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики:

Кд = ktg ? (28)

где k — масштабный коэффициент пропорциональности.

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Некогерентный амплитудный детектор на диоде

Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора представлена на рисунке 41. В состав детектора включен нелинейный элемент — диод VD. Необходимость нелинейного элемента вызвана тем, что процесс детектирования связан с трансформацией спектра сигнала. Диаграммы поясняющие принцип работы модулятора представлены на рисунке 42.

Рисунок 41 - Принципиальная электрическая схема некогерентного амплитудного детектора на диоде

На диод поступает АМ сигнал S АМ (t), в спектре которого имеются составляющая несущего сигнала и боковые составляющие (рисунок 42, а). В спектре отклика диода u д (t) появляются новые составляющие: постоянная, составляющая модулирующего сигнала и высшие гармоники модулированного сигнала (рисунок 42, б). Элементы R1 C1 образуют фильтр низких частот, который шунтирует высокочастотные составляющие спектра отклика и тем самым выделяют составляющую модулирующего сигнала и постоянную составляющую u ФНЧ (t) (рисунок 42, в). Разделительный конденсатор C2 задерживает постоянную составляющую спектра и в спектре выходного сигнала присутствует только составляющая модулирующего сигнала u(t) (рисунок 42, г).

Эффективное подавление высокочастотных составляющих фильтром низких частот детектора возможно при выполнении условия

Рисунок 42 - Процесс детектирования АМ сигналов

1/ ? 0 С 1 << R 1 << 1/ ? C 1 (29)

где С 1 и R 1 элементы ФНЧ.

При детектировании разделяют два режима: квадратичный и линейный.

При квадратичном режиме для детектирования сигналов используется нелинейный участок ВАХ диода, который аппроксимируется полиномом второй степени (рисунок 43). При данном режиме могут использоваться входные сигналы небольшой амплитуды, но при этом возникают большие нелинейные искажения сигнала.

Рисунок 43 - Режимы детектирования

При линейном режиме используется линейный участок ВАХ диода. При этом режиме входные сигналы должны иметь достаточно большую амплитуду, но при этом нелинейные искажения сигнала отсутствуют.

Недостатком данного детектора является изменение отношения сигнал-помеха на выходе модулятора, что может привести к подавлению слабого сигнала сильной помехой. Поэтому при использовании данного детектора необходимо сначала подавлять помехи, а потом детектировать сигнал, т. е. применять додетекторную обработку сигнала.

Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется по выражению:

где R1 — сопротивление ФНЧ детектора;

Sср — средняя крутизна ВАХ диода.

Синхронное детектирование

Синхронное детектирование — это детектирование, при котором используется опорное колебание с частотой и фазой соответствующими частоте и фазе несущего колебания.

Структурная электрическая схема синхронного детектора представлена на рисунке 44.

Рисунок 44 - Структурная электрическая схема синхронного детектора

На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал S АМ (t) и опорное колебание от генератора u г (t):

S АМ (t) = Um(1 + m АМ u(t)) cos (w 0 t + ? 0 );

u г (t) = Um г cos (w 0 t + ? 0 ).

На выходе модулятора формируется сигнал u 1 (t)

u 1 (t ) = S АМ (t ) ? u г (t ) = Um (1 + m АМ u (t )) cos (w 0 t + j 0 ) ?

? Um г cos (w 0 t + ? 0 ) = 0,5 Um Um г (1 + m АМ u (t )) ?

? (1 + cos (2 w 0 t + 2 ? 0 )) (31)

ФНЧ на выходе модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала:

u вых (t ) = 0,5 Um Um г m АМ u (t ) (32)

Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор.

Свойством и основным достоинством синхронного детектора является сохранение отношения сигнал-помеха на выходе детектора. Это объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала и соотношений между составляющими спектра. Это свойство детектора позволяет применять последетекторную обработку сигнала.

Синхронный детектор позволяет также детектировать балансно-модулированные и однополосно-модулированные сигналы. Однако в данном случае возникают трудности с получением информации о частоте и фазе несущего колебания, т. к. составляющая несущего колебания в спектре этих сигналов отсутствует. Поэтому для детектирования этих сигналов применяют два технических решения:

• при детектировании используют пилот-сигнал , который представляет собой остаток несущего колебания и передается вместе с сигналом, а на приеме выделяется системой ФАПЧ;
• при детектировании на приемной стороне используется высокостабильный опорный генератор который вообще не синхронизируется. Для детектирования используется местная несущая отличающаяся от передаваемой на??. При этом возникает сдвиг частот в канале связи (рисунок 45). Если этот сдвиг не превышает 10 Гц для телефонного сигнала, то получатель его не ощущает. Отсюда следуют жесткие требования к стабильности генераторного оборудования систем связи с ОМ.

Рисунок 45 - Процесс сдвига частот в канале связи

Детектирование частотно-модулированных сигналов

Детектирование ЧМ сигналов может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме. Рассмотрим детектирование ЧМ сигналов при некогерентном приеме. В этом случае детектирование осуществляется в два этапа:

• преобразование частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал (АЧМ);
• детектирование АЧМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная электрическая схема однотактного частотного детектора представлена на рисунке 46.

Рисунок 46 - Принципиальная электрическая схема однотактного частотного детектора

В данном детекторе в качестве преобразователя ЧМ сигнала в АЧМ осуществляется с помощью колебательного контура L1 C1. Контур расстроен относительно несущей частоты, т. е. его резонансная частота не равна частоте несущего сигнала (рисунок 47).

При увеличении частоты ЧМ сигнала, она приближается к резонансной частоте контура? рез и амплитуда колебания u К (t) возрастает. При уменьшении частоты ЧМ сигнала, она удаляется от резонансной частоты контура и амплитуда u К (t) уменьшается. Таким образом, на выходе контура колебание представляет собой модулированный сигнал, у которого изменяется и частота амплитуда и частота (АЧМ сигнал). Затем данный сигнал детектируется амплитудным детектором.

Рисунок 47 - Временные диаграммы частотного детектора

Детекторная характеристика данного детектора представлена на рисунке 48. Данная характеристика является нелинейной, а следовательно, при детектировании данным детектором модулирующий сигнал имеет нелинейные искажения.

Рисунок 48 - Детекторная характеристика однотактного частотного детектора

Для устранения нелинейных искажений используют балансную (двухтактную) схему частотного детектора (рисунок 49). В этом детекторе оба колебательных контура взаимно расстроены относительно несущей частоты и имеют различные резонансные частоты? рез1 и? рез2 , характеристики контуров представлены на рисунке 50.

Рисунок 49 - Принципиальная электрическая схема балансного частотного детектора

Рисунок 50 - Частотная зависимость колебательных контуров балансного детектора

В результате получаем характеристику в, в которой имеется линейный участок между резонансными частотами? рез1 и? рез2 , который и используется для детектирования. Детекторная характеристика детектора балансного детектора представлена на рисунке 51.

Рисунок 51- Детекторная характеристика балансного частотного детектора

Детектирование фазо-модулированных сигналов

Детектирование ФМ сигналов осуществляется при когерентном приеме. Детектирование этих сигналов осуществляется в два этапа:

• преобразование ФМ сигнала в амплитудно-фазо-модулированный сигнал (АФМ);
• детектирование АФМ сигнала амплитудным детектором.

Принципиальная электрическая схема однотактного фазового детектора представлена на рисунке 52.

Рисунок 52 - Принципиальная электрическая схема однотактного фазового детектора

Он представляет собой амплитудный детектор, в котором используется опорное колебание. Преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал осуществляется диодом VD. На диод подается два напряжения: опорное колебание u оп (t) с фазой? = 0 и ФМ сигнал u фм (t). Напряжение диода определяется суммой этих напряжений:

u д (t ) = u оп (t )+ u фм (t ) (33)

Формирование напряжения на диоде поясняется векторной диаграммой (рисунок 53). Допустим, в некоторый момент времени ФМ сигнал имеет значение фазы? фм1 соответствующее наклону вектора u фм1 , тогда напряжение на диоде будет соответствовать вектору u д1 . В следующий момент времени фаза ФМ сигнала изменится, и будет соответствовать углу наклона? фм2 вектора u фм2 (при этом длина вектора соответствует длине вектора u д1 , т. к. амплитуда ФМ сигнала не изменяется).Напряжение на диоде в этот момент времени соответствует вектору u д2 . Как видно из диаграммы, вектора u д1 и u д2 имеют различную длину, а соответственно и амплитуду.

Рисунок 53 - Формирование напряжений на диоде

Таким образом, на диоде происходит преобразование ФМ сигнала в АФМ сигнал. Одновременно с этим преобразованием диод осуществляет трансформацию спектра АФМ сигнала, и дальнейшее детектирование осуществляется аналогично детектированию однотактным амплитудным детектором. Детекторная характеристика однотактного фазового детектора представлена на рисунке 54. Как видно эта характеристика имеет нелинейный характер, что приводит к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 54 - Детекторная характеристика однотактного фазового детектора

Для уменьшения нелинейных искажений применяют балансный (двухтактный) фазовый модулятор (рисунок 55).

Рисунок 55 - Принципиальная электрическая схема балансного фазового детектора

Данный детектор состоит из двух однотактных фазовых детекторов. Опорное напряжение u оп (t) подводится между средней точкой вторичной обмотки трансформатора (Т) и точками соединения резисторов R1 R2 и конденсаторов С1 С2. Напряжение ФМ сигнала u фм (t) подается через первичную обмотку трансформатора. Пусть в некоторый момент времени на вход детектора поступает сигнал u фм (t) с фазой?(t) и полярностью напряжений соответствующей указанной на рисунке. В этом случае напряжение на диодах будет определяться:

u д1 = u оп + 0,5 u фм ;

u д2 = u оп — 0,5 u фм . (34)

При этом векторная диаграмма будет иметь вид (рисунок 56). Как видно из диаграммы, напряжение входного сигнала на каждом из диодов составляет половину от входного напряжения детектора u фм и эти напряжения противоположны по фазе. Напряжение на диодах определяется векторами u д1 и u д2 . Как следует из диаграммы u д1 > u д2 . Выходное напряжение каждого из однотактных детекторов будет определяться:

u вых1 (t ) = К д Um д1 ;

u вых2 (t ) = К д Um д2 (35)

где К д — коэффициент передачи детектора.

Рисунок 56 - Формирование напряжений на диодах балансного фазового детектора

Поскольку эти напряжения противоположны, то выходное напряжения балансного детектора определяется:

u вых (t ) = u вых1 (t ) — u вых2 (t ) = К д (Um д1 — Um д2 ) (36)

Детекторная характеристика балансного детектора представлена на рисунке 57.

Рисунок 57 - Детекторная характеристика балансного фазового детектора

Как видно из характеристики при?(t) = 90° и?(t) = 180° выходное напряжение равно нулю, т. к. Um д1 = Um д2 и u вых1 (t) = u вых2 (t). Вблизи указанных углов характеристика имеет линейные участки, использование которых при детектировании позволяет исключить нелинейные искажения модулирующего сигнала.

Детектирование манипулированных сигналов

Детектирование амплитудно-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов может осуществляется рассмотренным выше амплитудным детектором на диоде (рисунок 39).

Детектирование частотно-манипулированных сигналов.

Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов и диаграммы, поясняющие его работу приведены на рисунках 58 и 59.

Рисунок 58 - Структурная электрическая схема детектора ЧМн сигналов

На вход детектора поступает ЧМн сигнал (рисунок 59, а). Это сигнал поступает на полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2, каждый из ПФ выделяет свою полосу частот (рисунок 59, б, в). Полученные сигналы детектируются амплитудными детекторами АД1 и АД2 (рисунок 59, г, д). Полученные сигналы поступают в вычитающее устройство, причем сигнал u АД2 (t) поступает в негативной полярности. В вычитающем устройстве происходит формирование выходного сигнала (рисунок 59, е):

u вых (t) = u АД1 (t) — u АД2 (t) (37)

Рисунок 59 - Процесс детектирования ЧМ сигналов

Детектирование фазо-манипулированных сигналов.

Детектирование данных сигналов осуществляется при когерентном приеме. Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов представлена на рисунке 60.

Рисунок 60 - Структурная электрическая схема приемника ФМ сигналов

На вход полосового фильтра подается входное колебание Z(t). ПФ производит додетекторную обработку сигнала, т. е. ограничивает уровень помех на входе приемника. ФМн сигнал с выхода ПФ поступает в фазовый детектор ФД, на второй вход которого поступает опорное колебание от генератора. Подстройка частоты и фазы опорных колебаний осуществляется системой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ. Частота и фаза опорных колебаний должна совпадать с частотой и фазой одного из сигналов S 1 (t) или S 2 (t). Сигнал, полученный на выходе ФД поступает в решающее устройство, которое определяет какой сигнал принят u 1 или u 2 . Определение сигнала осуществляется путем сравнения амплитуды дискретного элемента поступающего с ФД с нулевым уровнем, который снимается с корпуса: если амплитуда дискретного элемента поступающего с ФД больше нуля, то принят элемент положительной полярности u 2 («1»), если меньше нуля, то принят элемент отрицательной полярности u 1 («0»).

Основным недостатком данной схемы и соответственно системы с ФМн является необходимость передачи вместе с информационным сигналом сигнала фазовой синхронизации , что приводит к дополнительным затратам мощности и, соответственно, снижению эффективности ФМн. Необходимость передачи сигналов синхронизации связана с тем, что фаза колебаний опорного генератора должна с высокой точностью совпадать с фазой одного из сигналов S 1 или S 2 . Использование для целей фазовой синхронизации входного сигнала Z(t) приводит к эффекту обратной работы . Обратная работа заключается в замене, пи детектировании, сигнала u 1 сигналом u 2 и наоборот. Обратная работа возникает тогда, когда фаза опорных колебаний генератора меняется на противоположную. Это возникает из-за того, что при равновероятных сигнала S 1 и S 2 , отличающихся друг от друга по фазе на 180°, на приеме нет ни каких признаков по которым можно определить, фаза какого сигнала была принята в качестве опорного. Генератор, подстраиваемый системой ФАПЧ, может генерировать колебания с двумя устойчивыми состояниями фазы 0 или 180°. В канале связи под воздействием помех фаза сигнала используемого для синхронизации изменяется. Если она не соответствует 0 или 180°, то генератор подстраивается под ближайшую фазу, т. е. если фаза изменяется менее чем на 90°, то генератор будет подстраиваться под верную фазу сигнала (обратная работа отсутствует), если более чем на 90°, то генератор подстраивается под противоположную фазу и возникает обратная работа. Из вышесказанного можно сделать вывод, что источником обратной работы в приемнике является генератор с ФАПЧ.

Детектирование относительно-фазо-модулированных сигналов.

Детектирование ОФМн сигналов может осуществляться двумя методами: методом сравнения фаз (обеспечивает некогерентный прием) и метод сравнения полярностей (обеспечивает когерентный прием).

При методе сравнения фаз источники обратной работы генератор и ФАПЧ заменяются линией задержки, которая осуществляет задержку сигнала на длительность одного дискретного элемента (рисунок 61). В фазовом детекторе осуществляется сравнение фаз принятого сигнала и предыдущего. Формирование выходного сигнала РУ осуществляется также как и в приемнике ФМн сигналов. Поскольку в данной схеме в качестве опорного колебания используется принятый сигнал, то появление обратной работы исключено.

Рисунок 61 - Структурная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения фаз

При методе сравнения полярностей приемник состоит из двух частей: приемника ФМн сигналов и относительного декодера (рисунок 62). При детектировании сигналов в приемнике ФМн сигналов возникает обратная работа. Сигнал с выхода приемника поступает в сравнивающее устройство СУ относительного декодера. На второй вход СУ поступает предыдущий выходной сигнал приемника. Задержку сигнала на один дискретный элемент осуществляет линия задержки. В СУ происходит сравнение полярностей двух элементов и формируется выходной сигнал. Формирование дискретного элемента выходного сигнала осуществляется по правилу: если полярности обоих сигналов совпадают, то формируется сигнал положительной полярности u 2 («1»), если полярности не совпадают, то сигнал отрицательной полярности u 1 («0»). Так как обратная работа изменяет полярность как текущей, так и предыдущей посылок, то она на работе СУ не сказывается.

Рисунок 62 - Функциональная электрическая схема приемника ОФМн сигналов: метод сравнения полярностей

Детектирование импульсно-модулированных сигналов

Особенностью ИМ сигналов является наличие в их спектре низкочастотных составляющих модулирующего сигнала. Поэтому для детектирования данных сигналов нелинейный элемент не используется. Детектирование осуществляется фильтром, с помощью которого выделяются составляющие модулирующего сигнала. Для этого граничные частоты фильтра должны быть равны наименьшей Fmin и наибольшей Fmax частоте спектра модулирующего сигнала. Детектирование первичных (низкочастотных) сигналов осуществляется ФНЧ.

А) Детектирование АИМ сигналов . Если скважность импульсов АИМ сигнала велика q>>1, то детектирование осуществляется пиковым детектором.

Пиковым детектором — называется амплитудный детектор, выходное напряжение которого пропорционально амплитуде импульсов и сохраняется приблизительно постоянным на интервале периода следования импульсов Т.

В спектре ФИМ сигналов уровень составляющих частоты модуляции незначителен, а также он зависит от частоты модуляции. Поэтому непосредственно ФИМ сигналы детектировать ФНЧ нельзя. Предварительно эти сигналы преобразуются в ШИМ или ЧИМ сигналы, а затем детектируются ФНЧ. Однако, для преобразования ФИМ сигнала необходимо вместе с ним передавать синхронизирующие тактовые импульсы, а это усложняет схему детектора.

Для увеличения помехоустойчивости в приемнике принятые импульсно модулированные сигналы подвергают регенерации.

Регенерация — процесс восстановление формы импульсов.

На рисунке 63 представлены временные диаграммы, поясняющие регенерацию импульсно модулированного сигнала. На рисунке 63, а представлен передаваемый импульсно-модулированный сигнал Sм пер (t). На рисунке 63, б представлен принятый сигнал Z пр (t). Форма этого сигнала искажена вследствие воздействия флуктуационных и импульсных помех в канале связи. Регенерация осуществляется путем ограничения амплитуды импульсов по максимуму и минимуму на уровне близком к половине пикового значения импульсов (рисунок 63, в). При регенерации возможно искажение принятого сигнала вызванное большой амплитудой импульсной помехи, однако, большая часть помех подавляется.

Поскольку при регенерации осуществляется ограничение амплитуды импульсов, то регенерации не могут подвергаться АИМ сигналы, т. к. амплитуда этих сигналов является информационным параметром.

Рисунок 63 - Регенерация импульсно-модулированных сигналов

Фазовым детектором (ФД) называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения. Если на вход ФД действует напряжение

то продетектированное напряжение

Положим, на входе ФД действует напряжение, показанное на рис. 4, а, тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис. 4, б.

Рисунок 4 - Входное (а) и выходное (б) напряжения ФД

Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180є. При фазовой модуляции (ФМ) фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемой информацией. Так как в спектре напряжения на выходе ФД имеются частотные составляющие, которых не было в спектре напряжения, то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами. Фазовое детектирование нельзя также осуществить с помощью простой безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит только от амплитуды входного напряжения и не зависит от его фазы и частоты. Поэтому ФД можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).

Структурная схема ФД показана на рис. 5. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение) . Под действием опорного напряжения меняется активный параметр схемы, обычно крутизна S.

Рисунок 5 - Структурная схема ФД

Схема ФД совпадает также со схемой параметрического амплитудного детектора (АД), поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД

где S 1 - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;

Фазовое детектирование осуществляется с помощью параметрической цепи, в которой источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.

В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы. Для нашей системы мы будем использовать однотактный ФД.

Детектор выполнен по однотактной схеме (рис. 6).

Рисунок 6 - Однотактный диодный фазовый детектор

Для осуществления фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение на выходе ФД определяется выражением (24), полученным при предположении, что. Характеристика детектирования диодного ФД, согласно (24), близка к косинусоиде.

Принцип действия ФД по схеме рис. 5 можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (рис. 7, а). На выходе такого амплитудного детектора действует суммарное напряжение

Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений (рис 7, б) получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания

Рисунок 7 - Система с АД суммы двух гармонических колебаний (а); векторное сложение двух напряжений (б)

Напряжение на выходе АД с коэффициентом передачи

Согласно (27), напряжение на выходе ФД зависит от ц входного сигнала; вид зависимости от ц определяется отношением. В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис. 8, а). Если, то

Система фазовой автоподстройки частоты ( - это весьма важный и полезный узел, выпускаемый в виде отдельной интегральной схемы многими изготовителями. ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание в одном корпусе аналоговой и цифровой техники. Мы рассмотрим в дальнейшем применение ФАПЧ для тонального декодирования, демодуляции AM- и ЧМ-сигналов, умножения частот, частотного синтеза, импульсной синхронизации сигналов от шумящих источников (например, магнитной ленты) и восстановления «чистых» сигналов.

Существует традиционное предубеждение против ФАПЧ, связанное отчасти со сложностью реализации ФАПЧ на дискретных компонентах, а отчасти с сомнениями относительно ее надежной работы.

Рис. 9.67. Схема фазовой автоподстройки частоты.

С появлением недорогих и простых в применении устройств ФАПЧ первое препятствие для их широкого применения было преодолено. При правильном проектировании и корректном применении устройства ФАПЧ становятся такими же надежными элементами схемы, как операционные усилители или триггеры.

На рис. 9.67 показана классическая схема ФАПЧ. Фазовый детектор - устройство, которое осуществляет сравнение двух входных частот, и формирует выходной сигнал, пропорциональный их фазовой разности (если, например, частоты различаются, то на выходе появится периодический сигнал на разностной частоте). Если не равна , то отфильтрованный и усиленный сигнал фазовой ошибки будет воздействовать на частоту ГУН, изменяя ее в направлении . При нормальных условиях ГУН быстро производит «захват» частоты , поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.

Поскольку отфильтрованный выходной сигнал фазового детектора является сигналом постоянного тока, а управляющий входной сигнал ГУН-мерой входной частоты, совершенно очевидно, что ФАПЧ можно применять для ЧМ-детектирования и тонального декодирования (используемое при цифровой передаче по телефонным линиям). Выходной сигнал ГУН - это сигнал местной частоты, равной , таким образом, ГУН выдает чистый опорный сигнал, который может содержать шумы. Поскольку выходной сигнал ГУН может иметь любую форму (треугольную, синусоидальную и т. п.), это позволяет формировать, допустим, синусоидальный сигнал, синхронизированный с последовательностью входных импульсов.

В одном из часто встречающихся применений ФАПЧ между выходом ГУН и фазовым детектором включают счетчик по модулю , обеспечивая, таким образом, умножение входной эталонной частоты . Это - идеальный метод генерации импульсов синхронизации на частотах, кратных частоте сетевого напряжения, для интегрирующих АЦП (двухстадийных и с уравновешиванием заряда) с полным подавлением помех на сетевой частоте и ее гармониках. Подобные схемы являются основными при построении частотных синтезаторов.

Компоненты ФАПЧ.

Фазовый детектор. Существуют два основных типа фазовых детекторов, которые иногда называют тип 1 и тип 2. Фазовый детектор типа 1 предназначен для работы с аналоговыми сигналами или цифровыми сигналами прямоугольной формы, а детектор типа -для работы по логическим переходам (фронтам). Типичным представителем детекторов типа 1 является детектор 565 (линейный), а детектор КМОП 4096 можно отнести и к тому, и к другому типу.

Самым простым фазовым детектором является детектор типа 1 (цифровой), который представляет собой простой вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 9.68). На рисунке показана зависимость выходного напряжения от разности фаз при использовании фильтра низких частот и прямоугольного входного колебания со скважностью 50%. Фазовый детектор типа 1 (линейный) имеет аналогичную зависимость выходного напряжения от фазовой разности, хотя его схема представляет собой «четырехквадрантный умножитель», известный также под названием «балансный смеситель». Фазовые детекторы этого типа, обладающие высокой линейностью, находят широкое применение в синхронном детектировании, которое мы рассмотрим в разд. 15.15.

Фазовый детектор типа 2 обладает чувствительностью только по отношению к расположению фронтов сигнала и входного сигнала ГУН, как показано на рис. 9.69.

Рис. 9.68. Фазовый детектор (тип 1), выполненный по схеме Исключающее ИЛИ.

Схема фазового компаратора генерирует выходные импульсы либо отставания, либо опережения в зависимости от того, когда появляются логические переходы выходного сигнала ГУН, после или до переходов опорного сигнала соответственно. Ширина этих импульсов равна промежутку времени между соответствующими фронтами, как показано на рисунке. Во время действия этих импульсов выходная схема либо отводит, либо отдает ток, а в промежутках между импульсами находится в разомкнутом состоянии, формируя зависимость между выходным напряжением и разностью фаз, показанную на рис. 9.70. Процесс абсолютно не зависит от скважности импульсов на входе в отличие от ситуации с рассмотренным ранее фазовым компаратором типа 1. Другой привлекательной особенностью этого фазового детектора является то, что импульсы на выходе полностью исчезают, когда два сигнала засинхронизированы. Это означает, что на выходе отсутствуют «пульсации», которые вызывают периодическую фазовую модуляцию в контуре, как это имеет место при использовании фазового детектора типа 1.

Рис. 9.69. Фазовый детектор (тип 2) опережения-отставания, работающий «по фронтам».

Сравним свойства фазовых детекторов двух основных типов:

Существует еще одно различие между этими двумя типами фазовых детекторов. Детектор типа 1 всегда генерирует выходное колебание, которое в дальнейшем должно фильтроваться с помощью фильтра контура регулирования (более подробно обсудим это позже). Таким образом, ФАПЧ с фазовым детектором типа 1 содержит контурный фильтр, работающий как фильтр нижних частот, сглаживающий логический выходной сигнал полной амплитуды. В таком контуре всегда присутствует некоторая остаточная пульсация и, следовательно, периодические фазовые изменения. В тех схемах, где ФАПЧ используется для умножения или синтеза частот, к выходному сигналу добавляются еще и «боковые полосы фазовой модуляции» (см. разд. 13.18).

Фазовый детектор типа 2, наоборот, генерирует выходные импульсы только тогда, когда между опорным сигналом и сигналом ГУН имеется фазовая разность. Поскольку в противном случае выход фазового детектора выглядит как разомкнутая цепь, конденсатор контурного фильтра работает как элемент запоминания напряжения, поддерживая напряжение, сохраняющее требуемую частоту ГУН. Если опорный сигнал «уходит» по частоте, то фазовый детектор генерирует последовательность коротких импульсов, заряжая (или разряжая) конденсатор до нового напряжения, необходимого для того, чтобы вновь вернуть ГУН в синхронизм.

Генераторы, управляемые напряжением. Важным компонентом ФАПЧ является генератор, частотой которого можно управлять, используя выходной сигнал фазового детектора. Некоторые ИМС ФАПЧ содержат ГУН (например, линейный элемент 565 и КМОП-элемент 4046). Кроме того, имеются отдельные ИМС ГУН, перечисленные в табл. 5.4. Интересный класс ГУН составляют элементы с синусоидальным выходом (8038, 2206 и т. п.), поскольку они позволяют генерировать чистое синусоидальное колебание, засинхронизированное с входным колебанием «страшного» вида. Следует упомянуть еще один класс ГУН, напряжения в частоту», которые обычно проектируются с оптимальной линейностью; они имеют, как правило, скромную максимальную частоту (до 1 МГц) и вырабатывают импульсы с логическими уровнями (см. разд. 5.15).

Следует помнить о том, что частота ГУН не ограничивается скоростью срабатывания логических схем. Можно, например, использовать радиочастотные генераторы, настраиваемые с помощью варактора (диод с изменяемой емкостью) (рис. 9.71).

Продвигаясь в соответствии с этой идеей еще на один шаг, можно было бы даже использовать такой элемент, как отражательный клистрон, - микроволновый (гигагерцевый) генератор, с электрической настройкой за счет изменения напряжения на отражателе. Разумеется, ФАПЧ, использующая такие генераторы, потребует радиочастотный фазовый детектор.

Зависимость частоты от управляющего напряжения ГУН, используемого в ФАПЧ, может не обладать высокой линейностью, однако в случае большой нелинейности коэффициент усиления в контуре будет изменяться в соответствии с частотой сигнала и придется обеспечивать больший запас устойчивости.

В параграфе 7.4 были рассмотрены цифровые синтезаторы с косвенным синтезом частоты, одним из главных элементов которых можно назвать фазовый дискриминатор. Аналогичные устройства применяют в любых цифровых системах фазовой автоподстройки частоты, используемых как для синтеза колебаний с постоянной частотой, так и для частотной или фазовой модуляции и демодуляции ВЧ сигналов. Параметры фазового дискриминатора определяют наивысшую рабочую частоту или частоту сравнения петли ФАПЧ, а также такие важнейшие показатели, как ширина полосы захвата и полосы удержания петли ФАПЧ.

В цифровых системах ФАПЧ, в основном, используют следующие виды фазовых дискриминаторов:

· фазовый детектор (ФД) на логическом элементе «Исключающее ИЛИ»;

· фазовый детектор на RS-триггере или JK-триггере;

· цифровой частотно-фазовый детектор (ЧФД).

Первые два типа детекторов характеризуются тем, что на их выходе присутствует постоянное напряжение, пропорциональное сдвигу фаз при равенстве частот входного и опорного сигналов, и биения, частота которых зависит от разности частот этих сигналов, если эти частоты не равны. При этом биения могут иметь в некотором диапазоне расстроек постоянную составляющую, приводящую петлю ФАПЧ в конце концов к захвату частоты входного сигнала, но при достаточно большой частотной расстройке биения становятся практически гармоническими и захват частоты является уже невозможным. Ясно, что при этом полоса захвата системы уже полосы удержания. Рисунок 7.7.1 иллюстрирует процесс захвата частоты системой ФАПЧ с ФД на логическом элементе «Исключающее ИЛИ» (показана зависимость выходного напряжения ФД от времени, полученная путем моделирования работы петли ФАПЧ на ЭВМ). В данном случае начальная расстройка частоты ГУН настолько велика, что биения выходного напряжения ФД являются чисто гармоническими и их постоянная составляющая равна нулю, т.е. ФД не оказывает подстраивающего действия на ГУН (левая часть рисунка). На ГУН подается внешнее управляющее воздействие, медленно сдвигающее его частоту к значению, при котором возможен захват его частоты петлей ФАПЧ; при этом форма биений выходного колебания ФД начинает отличаться от гармонической, появляется постоянная составляющая, оказывающая воздействие на среднее значение частоты ГУН (средняя часть рисунка). В какой-то момент частота ГУН попадает в полосу захвата петли ФАПЧ – и происходит захват: после короткого переходного процесса на выходе ФД устанавливается постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз опорного колебания и колебания ГУН, поступающих на ФД (правая часть рисунка).

В отличие от фазовых детекторов, у частотно-фазового детектора при любых частотных расстройках на выходе нет биений, но присутствует постоянное напряжение, подстраивающее регулируемый генератор так, чтобы уменьшить эту расстройку. Таким образом, выходное напряжение ЧФД является функцией как разности фаз (в синхронном режиме), так и разности частот (в случае отсутствия синхронизма) поступающих на него колебаний. Благодаря этому в системе ФАПЧ, содержащей цифровой частотно-фазовый детектор, полоса захвата равна полосе удержания.

На рис.7.7.2 показана структура простейшего цифрового ЧФД, построенного на двух D-триггерах. Состояния их выходов определяют работу транзисторных ключей VT1, VT2 следующим образом.

Q1=1, Q2=1 - элемент «логическое И» DD3 выставляет на своем выходе логическую 1, которая через устройство задержки подается на входы CLR триггеров, сбрасывая их выходы в 0.

Q1=0, Q2=0 - оба ключа разомкнуты, выход ЧФД - в третьем состоянии.

Q1=1, Q2=0 - ключ VT1 замкнут, VT2 разомкнут, на выходе ЧФД напряжение, близкое к напряжению питания, что соответствует логической 1.

Q1=0, Q2=1 - ключ VT1 разомкнут, VT2 замкнут, на выходе ЧФД напряжение, близкое к нулю, что соответствует логическму 0.

Рассмотрим поведение схемы в случае, когда частота сигнала на Входе 1 выше частоты на Входе 2, рис.7.7.3А. Из рисунка видно, что при этом единица на выходе ЧФД будет появляться чаще, чем 0 (триггеры срабатывают по положительному фронту на синхровходе), и частота ГУН будет подтягиваться выше, к частоте опорного генератора (предполагается, что ГУН выполнен с использованием варикапа). Это будет продолжаться до тех пор, пока частоты не станут равными, что приведет к захвату частоты ГУН. В случае, когда в исходном состоянии частота ГУН значительно выше частоты опорного генератора, на выходе ЧФД будет преобладать 0, понижая частоту ГУН вплоть до ее захвата петлей ФАПЧ.

Современные ЧФД выпускаются в виде ИМС, и могут работать на частотах до 200 МГц, что позволяет их использовать в ПЧ трактах радиопередающих устройств современных стандартов связи. Они имеют средства для устранения зоны нечувствительности по фазе, расположенной в центре фазовой характеристики. Примером современной микросхемы ЧФД может послужить AD9901, структура которой представлена на рис. 7.7.4. Принципиально она отличается от рассмотренной выше (рис. 7.7.2) наличием делителей частоты входных сигналов на D-триггерах. Они обеспечивают фазовому дискриминатору, выполненному на элементе «Исключающее ИЛИ», прямоугольные колебания для улучшения его работы, а также сдвигают зону нечувствительности из центра фазовой характеристики на ее края.

Вид характеристики такого ЧФД показан на рис. 7.7.5, где видны зоны нечувствительности и нелинейности в зависимости от рабочей частоты детектора. Отметим, что на частотах в сотни кГц эта характеристика имеет линейный участок протяженностью на все 360°.

Существуют две разновидности ЧФД, различающиеся по способу построения их выходных каскадов: ЧФД с выходом по напряжению (рис. 7.7.4) и ЧФД с выходом по току; последний вариант чаще называют схемой подкачки заряда или «зарядовым насосом» (или СР - charge pump), о применении которого в схеме петли ФАПЧ уже упоминалось в параграфе 7.4. Заменив транзисторы VT1 и VT2 на рис. 7.7.2 на источники тока, как это показано на рис. 7.7.6, получаем схему ЧФД charge pump в обобщенном виде .

От того, какие импульсы – тока или напряжения - вырабатывает схема ЧФД, зависит тип подключаемого к выходу ЧФД петлевого фильтра; соответственно, различаются и характеристики всей петли ФАПЧ. На рис. 7.7.7 приведены часто встречающиеся варианты схем петлевых фильтров для «токового» и «потенциального» вариантов исполнения выходных каскадов ЧФД. Для улучшения фильтрующих свойств петлевого фильтра по отношению к импульсным помехам, проникающим с выхода ЧФД на управляющий вход ГУН, иногда применяют дополнительное фильтрующее звено (ДФЗ), элементы которого выделены на нижней схеме рисунка пунктиром. Операционный усилитель, включенный между петлевым фильтром и управляющим входом ГУН, служит буферным каскадом, уменьшающим нагрузку на фильтр со стороны входа ГУН. Сам операционный усилитель должен иметь при этом минимальный входной ток (пикоамперы) и низкий уровень собственных шумов. Напомним (см. параграф 7.4 и рис. 7.4.3), что токи утечки, возникающие в элементах (емкостях) петлевого фильтра или же ток нагрузки со стороны управляющего входа ГУН приводят к проникновению нежелательных составляющих с частотой сравнения и ее гармоник в спектр колебания ГУН.

Отдельно следует сказать о работе петли ФАПЧ, в которой применяется ЧФД с токовым выходом «charge pump», нагруженным на петлевой фильтр, в состав которого входит идеальное интегрирующее звено. В параграфе 7.4 уже было отмечено, что в этом случае петля ФАПЧ приобретает свойство астатизма, т.е. фазовая ошибка в установившемся синхронном режиме не зависит от начальной частотной расстройки ГУН относительно колебания опорного генератора и, в идеальном случае, всегда стремится к нулю. Покажем это на примере схемы, изображенной на рис. 7.7.6.

Пусть петля ФАПЧ имеет простейшую структуру, подобную изображенной на рис.7.7.3; это не снижает общности наших рассуждений. На Входе 1 ЧФД присутствует колебание опорного генератора с постоянной частотой w ОП = рj ОП (где р = d / dt – оператор дифференцирования, j ОП – линейно возрастающая полная фаза опорного колебания). На Входе 2 ЧФД присутствует, в свою очередь, колебание ГУН с частотой, зависящей от Е УПР (р) - управляющего воздействия ЧФД, передающегося через петлевой фильтр:

w ГУН = рj ГУН = w ГУН СВ. – 2pS ГУН Е УПР (р),

где j ГУН – полная фаза колебания ГУН, w ГУН СВ. – значение частоты ГУН без управляющего воздействия от ЧФД («свободное»), S ГУН – крутизна линейного участка статической модуляционной характеристики ГУН.