Рис. 11.6. Спектры амплитудно-модулированных сигналов при двухполосной (а) и однополосной (б) модуляции

Детектирование или демодуляция — это процесс, обратный модуляции, в результате которого из модулированного колебания получают модулирующий сигнал. Очевидно, что для каждого вида модуляции существует соответствующий ему вид демодуляции, например амплитудная демодуляция, частотная и т. п.

Процесс демодуляции используется в радиоприемниках и телевизорах, предназначенных для приема модулированных сигналов. В результате получают полезный сигнал, идентичный модулирующему сигналу в передатчике.

Задачей амплитудного детектора является перенос спектра модулирующего сигнала, расположенного около несущей частоты (в виде боковых полос), в полосу частот, первоначально занимаемую этим сигналом. Так же как и при модуляции, процесс детектирования требует использования устройства с нелинейной характеристикой. Разница по сравнению с модулятором заключается в том, что в детекторе сигнал с несущей частотой не подводится от отдельного источника, а содержится в самом сигнале. Если в сигнале несущая подавлена, как это происходит при однополосном сигнале, то она должна быть восстановлена в приемнике и добавлена к сигналу, подвергаемому детектированию.

Требуемую нелинейность характеристики детектора получают путем соответствующего выбора рабочей точки транзистора, лампы или диода. Принцип работы нелинейного (квадратичного) детектора на транзисторе можно пояснить с помощью схемы, представленной на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Схема детектора на транзисторе

Детектирование происходит после подачи модулированного колебания на базу транзистора. Из-за нелинейности входной характеристики в выходном колебании появляется составляющая, которая изменяется в такт с модулирующей частотой. Имеющийся сигнал высокой частоты устраняется с помощью RС-цепочки, образующей фильтр нижних частот. Из более подробного анализа выходного колебания следует, что помимо основной составляющей в нем действует составляющая с частотой второй гармоники модулирующего сигнала, пропорциональная глубине модуляции. Поэтому в результате детектирования возникают искажения полезного сигнала, которые оправдывают название этого типа детектирования (нелинейное детектирование), но одновременно ограничивают применение рассматриваемой схемы.

Схема диодного детектора представлена рис. 11.8.

Рис. 11.8. Диодный детектор

Диод в этой схеме работает как выпрямитель напряжения высокой частоты. Входной амплитудно-модулированный сигнал подводится от резонансного контура, настроенного на несущую частоту и имеющего достаточную ширину полосы для выделения амплитудно-модулированного колебания. Диод как элемент с однонаправленным действием выпрямляет модулированное колебание, поэтому в нагрузку проходит только положительная полуволна сигнала. Если бы диод был включен в обратном направлении (катодом к резонансному контуру), то выпрямлялась бы отрицательная полуволна сигнала.

Если сопротивление диода r_д мало по сравнению с сопротивлением резистора R на выходе возникает напряжение, равное амплитуде входного сигнала. Постоянная времени RC подбирается таким образом, что высокочастотная составляющая отфильтровывается и на выходных зажимах действуют только постоянная составляющая и модулирующий сигнал. Постоянную составляющую можно устранить с помощью конденсатора, включенного последовательно с дальнейшей частью тракта, предназначенного для усиления сигнала, полученного в результате детектирования. На рис. 11.9 представлены последовательные этапы получения напряжения, соответствующего огибающей модулированного сигнала.

Рис. 11.9. Формы колебаний при диодном детектировании:

_{а — амплитудно-модулированное на входе; б — после одпополупериодного выпрямителя; в — на нагрузке; г — выходное колебание без постоянной составляющей}

Пояснения требует определение диодного детектора как линейного. Название происходит от динамической характеристики диода, представленной на рис. 11.10[25].

Рис 11.10. Динамическая характеристика линейного детектора

Эта характеристика является отрезком прямой линии, поэтому выпрямленное детектором напряжение линейно зависит от напряжения, подвергаемого процессу детектирования. Линейная зависимость обоих напряжений имеет место только при больших амплитудах, примерно более полувольта.

При малых амплитудах детектор ведет себя, как описанный выше нелинейный детектор. Следует добавить, что линейный диодный детектор во всем остальном остается нелинейным устройством, поскольку начальная рабочая точка схемы находится в месте излома динамической характеристики диода. Именно эта нелинейность в начале системы координат (при отрицательных управляющих напряжениях ток через диод не протекает) и является фактором, способствующим детектированию.

Резистор R и конденсатор С в детекторе образуют двухполюсник, характеризующийся определенной постоянной времени RC, зависящей от нескольких факторов. Прежде всего, с точки зрения обеспечения высокого КПД детектирования, определяемого отношением выпрямленного напряжения к амплитуде сигнала высокой частоты, сопротивление резистора R должно быть как можно больше.

По этой же причине как можно больше должна быть емкость конденсатора С (падение напряжения высокой частоты на емкостном сопротивлении будет малым). Однако, с другой стороны, излишне большая емкость конденсатора С приводит к тому, что изменения выпрямленного напряжения не успевают за изменениями модулирующего сигнала, что является источником искажений. В связи с этим принимаются компромиссные значения этих элементов в соответствии с соотношением

где ω — несущая частота; Ω — наивысшая модулирующая частота.

В детекторе радиовещательного сигнала сопротивление резистора R обычно лежит в пределах 0,5–1 МОм, а емкость конденсатора С составляет около 100 пФ, тогда как в широкополосном телевизионном детекторе сопротивление R около 2–4 кОм при шунтирующей емкости около 10 пФ. Очевидно, что во втором случае КПД детектирования меньше.

Да. Полевой транзистор в схеме па рис. 11.11, а работает в качестве амплитудного детектора, если сопротивление резистора R_u около 100 кОм и даже 1 МОм. Столь высокое сопротивление приводит к тому, что рабочая точка лежит достаточно близко к точке отсечки тока стока. Если на затвор транзистора подать амплитудно-модулированный сигнал, то ток стока будет протекать в виде импульсов, амплитуда которых определяется огибающей модуляции (рис. 11.11, б). Средний ток стока будет изменяться в соответствии с изменением модулирующего сигнала.