Детектор амплитудно-манипулированных СИГНАЛОВ

Московский государственный  университет путей сообщения (МИИТ)

Институт  транспортной техники и систем управления

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железнодорожном  транспорте»

 

 

 

 

 

 

                        Лабораторная работа №4

 на тему:

 

«Детектор амплитудно-манипулированных СИГНАЛОВ»

 

по дисциплине

 

  «Каналообразующие устройства автоматики, телемеханики и

связи»

 

 

 

                                                                                

 

 

 

                                                                                  Выполнил:     ст. гр. АТС-451

                       Евдаков Д.О.

                                                                                 

                                                                                  Проверил: доц. Акинин М.Ю.

 

 

 

 

 

                                    

                                                

                                                     Москва 2012

                                      ЗАДАНИЕ

                       на лабораторную работу по дисциплине:

     «КАНАЛООБРАЗУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ

                         АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ»

 

                                                   на тему:

  «ДЕТЕКТОРА АМПЛИТУДНО – МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ»

 

Студент группы АТС – 451                                     Евдаков Дмитрий Олегович

 

Разработать каналообразующее устройство для следующих исходных данных:

 

- Сопротивление  нагрузки Rн = 1,5кОм;

- Вид сигнала: Амплитудно-манипулированный с пассивной паузой;

- Тип  детектора – Последовательный  диодный детектор;

- Режим  работы детектора – Режим сильного  сигнала; 

- Частота  несущего колебания: Fн = 300 кГц;

- Частота  манипулирующего сигнала: Fм = 3 кГц;

-Дополнительные искажения сигнала при детектировании от длительности электрической посылки – ;

 

 

 

Дата выдачи задания:  05.09.2012г.

Дата сдачи  работы: 31.10.2012г.

 

Руководитель:                              Акинин М. Ю.

                                                

                                                

                                                   Содержание

 

1. АНАЛИЗ   ИСХОДНЫХ    ДАННЫХ   И   ВЫБОР   СХЕМЫ             АМПЛИТУДНОГО     ДЕТЕКТОРА….………………………………………...
1. Структурная схема и принцип детектирования……..………………....
2. Выбор и анализ схемы амплитудного детектора……………………....
2. РАСЧЕТ  И  МОДЕЛИРОВАНИЕ  АМПЛИТУДНОГО  ДЕТЕКТОРА......
1. выбор элементной базы и расчет элементов детектора…………….…
2. Моделирование с идеализированным источником амплитудно-манипулированного сигнала……………………………………………....
3. Моделирование схемы детектора амплитудно-манипулированного сигнала ………………………………..………………………………….....

Выводы  по  результатам моделирования….……………………………….....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. АНАЛИЗ    ИСХОДНЫХ    ДАННЫХ   И   ВЫБОР   СХЕМЫ             АМПЛИТУДНОГО     ДЕТЕКТОРА

 

   1.1Структурная схема и принцип детектирования

 

Демодуляторы  часто называют детекторами. Название «демодулятор» подчеркивает то, что процесс в детекторе (демодуляторе) обратный, процессу в модуляторе. Детектор выделяет полезную информацию из входного модулированного колебания, содержащего только высокочастотные составляющие: колебания несущей частоты и боковые полосы. На выходе же детектора (демодулятора) выделяется напряжение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения (рис.1.1). Следовательно, детектирование сопровождается трансформацией (переносом) частотного спектра из области высоких частот в область низких частот. Поэтому детектирование это процесс, связанный с нелинейным преобразованием.

Рис.1.1 Процесс детектирования

 

В соответствии с видами модуляции различают  демодуляторы аналоговых, аналого-импульсных и дискретных сигналов.

Детектирование  представляет основной процесс приема модулированных колебаний, поскольку выделяемое в результате колебание представляет исходное, переданное. То есть при детектировании (демодуляции) выделяется исходное модулирующее колебание, несущее информацию.

Демодуляторы  АМ - колебаний входят в состав детекторов ЧМ и ФМ колебаний, используемых в каналообразующих устройствах железнодорожной телемеханики и связи. Демодуляция АМ - колебаний - нелинейный процесс, поэтому она осуществляется с помощью устройств с нелинейной ВАХ: диодов, транзисторов и др. В зависимости от типа используемого нелинейного элемента, детекторы соответственно называются диодными, транзисторными и т.п. На рис 1.2 структурная схема детектора.

 

Рис 1.2 Структурная  схема детектора

 

 

1.2 Выбор и анализ схемы амплитудного детектора

 

Чаще  других в качестве нелинейного элемента в схемах амплитудного детектора используют диоды, а отсюда и название - диодные демодуляторы (рис.1.3). Они включают в своем составе; входной L_kC_k контур, выполняющий функции источника переменного сигнала, подаваемого на вход детектора; собственно нелинейный элемент - диод VD и низкочастотный фильтр детектора, выполненный на RC или LC элементах. Контур детектора связан с предыдущим каскадом приемника, в частности усилителя промежуточной частоты (УПЧ).

При подаче на контур переменного модулированного  сигнала, вследствие нелинейности ВАХ диода, к которому приложено это напряжение, ток в цепи детектора будет содержать НЧ и ВЧ составляющие. Высокочастотные составляющие спектра сигнала замыкаются через конденсатор С фильтра, а низкочастотные составляющие (полезные информационные составляющие спектра) - через резистор R фильтра, создавая на нем падение напряжения, которое передается далее потребителю.

Поскольку в этой схеме диодного детектора  постоянный ток проходит и через источник переменного напряжения (входной контур), то ее называют схемой детектора последовательного типа (рис.1.3).

Рис.1.3 Принципиальная схема детектора последовательного типа

 

Свойства  детекторов оценивают по его параметрам и характеристикам, основными из которых являются коэффициент передачи напряжения Кд, входное сопротивление R_BX, коэффициент нелинейных искажений, параметры детекторной и частотной характеристики.

Эти параметры  и характеристики определяются по ВАХ диода (рис. 1.4), которая имеет на начальном участке резкий изгиб. Граница изгиба характеристики соответствует входному напряжению, при котором диод открывается (0,3 - 0,5) В. Вольт-амперная характеристика диода хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью i = au+bu², где а и b - расчетные коэффициенты. Для малых входных сигналов работа детектора соответствует квадратичному участку ВАХ диода, а детекторы, работающие при малых входных сигналах называют квадратичными.

При возрастании входного напряжения U_вх > 0,3 В рабочий, квадратичный участок ВАХ диода переходит в линейный.

При больших  уровнях входных сигналов, когда рабочий участок ВАХ диода лежит в линейной области характеристики, детектор называют линейным, хотя процесс детектирования нелинейный.

При больших  амплитудах входного напряжения реальную ВАХ диода можно представить идеальной, состоящей из двух прямых образующих ломаную линию как это показано на рис. 1.3. Один участок характеристики совпадает с осью напряжения (абсцисс), а другой пересекает ее под углом, соответствующим крутизне линейной части реальной ВАХ. Аналитически идеальная ВАХ определяется зависимостью:

где a - коэффициент пропорциональности.

Рис.1.4 Вольт-амперная характеристика диода

 

Рассмотрим  работу линейного детектора для  простейшего случая смодулированных входных колебаний высокой частоты и_вх (t) = U_m cos wt, позволяющего определить основные параметры детектора. В этом случае детектор выполняет функции обычного однополупериодного выпрямителя. На его выходе, через резистор R будет протекать постоянный ток, создающий на нем постоянное напряжение Е, запирающее диод. Это напряжение меньше амплитуды входного напряжения U_m. Графически процесс детектирования представлен на рис.1.5, в предположении, что .

Рис. 1.5 Процесс детектирования

 

В точке  t₁ напряжение , где параметр q=w t₁ называется углом отсечки. Коэффициент передачи детектора

По сравнению  с линейным, квадратичный детектор имеет следующие недостатки: меньшее входное сопротивление, большие нелинейные искажения, К_Д пропорционален квадрату амплитуды модулированного сигнала. Достоинством его является возможность приема более слабых сигналов. Для анализа работы квадратичного детектора, необходимо в ВАХ его диода  i = au + bи² подставить или немодулированное входное колебание                 u_BX(t) = U cos wt (U < 0,3В) или амплитудно-модулированное.

При модуляции  одной частотой: 

и после тригонометрических преобразований согласно ВАХ ток  на выходе квадратического детектора может быть представлен как:

Первое  слагаемое определяет полезный продукт  детектирования - ток модулирующего, полезного сигнала, а второе вносит нелинейные искажения в детектируемый сигнал.

В связи  с указанными достоинствами и  недостатками различных видов диодных  детекторов, в разработке амплитудного детектора будем использовать линейный детектор со схемой последовательного  типа.

 

2. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ  АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА

 

2.1 Выбор элементной базы и  расчет элементов детектора

 

    Последовательный диодный детектор является наиболее простым. Так как частота манипулированного сигнала на входе детектора составляет 300 кГц, то необходимо, чтобы граничная рабочая частота диода находилась в диапазоне не менее несущей частоты. Из этого следует, что для наших целей подойдет маломощный, высокочастотный диод. Опираясь на анализ исходных данных, параметры выбираемого диода (напряжение прямого включения, напряжение пробоя) должны быть больше амплитуды входного сигнала.

        Этим параметрам удовлетворяет ГД403А. Он предназначен для применения в качестве детекторов амплитудно-модулированных сигналов в радиовещательных приемниках.

 

Электрические параметры:

  

 

 

Диод ГД403А относится к классу "Диоды высокочастотные и импульсные".

 

Импортным аналогом этого диода является диод 1N3660.

 

В детекторе  можно выделить три функциональные цепи:

1. Входная  цепь. Входная цепь содержит нелинейный элемент – диод, он осуществляет нелинейные преобразования со входным сигналом.

2 Фильтрующая  цепь. Содержит два элемента: сопротивление фильтра R_ф и фильтрующую емкость С_ф. Представляет собой фильтр нижних частот, который осуществляет выделение манипулированного сигнала, т.е. фильтрацию высокочастотных составляющих сигнала.

3. Нагрузочная  цепь. Состоит из разделительного  конденсатора С_р, который не пропускает постоянную составляющую в нагрузку, и нагрузочного сопротивления R_н, с которого снимается выходной продетектированный сигнал.

Для расчета  параметров схемы воспользуемся  следующим приближением: сопротивление  диода в прямом включении R_пр = 10 Ом (для диода 1N3660), а при обратном включении R_обр = 25 МОм.

Расчет  элементов схемы выполняется  на основании физики процессов схемы  детектора и функций, выполняемых  каждым элементом.

Конденсатор фильтра детектора С_ф предназначен для создания цепи протекания токов высокой частоты (несущего колебания и его гармоник), а сопротивление R_ф служит для протекания по нему токов низкой частоты, манипулирующего сигнала. Говорят, что конденсатор фильтра должен шунтировать высокочастотные составляющие сигнала и не пропускать токи низкой частоты, а резистор фильтра наоборот: создать цепь протекания токов полезного продетектированного сигнала низкой частоты и не пропускать токи высокой частоты.

Это означает, что для токов высокой частоты  несущего колебания омическое сопротивление конденсатора фильтра детектора должно быть очень маленьким, а для токов низкой частоты - наоборот очень большим. Сопротивление резистора фильтра должно обладать обратными свойствами.

На высокой  частоте омическое сопротивление  емкости фильтра С_ф детектора должно быть меньше сопротивления резистора R_ф : .

На низкой частоте омическое сопротивление  емкости фильтра С_ф детектора должно быть больше сопротивления резистора R_ф : . 

Время заряда фильтрующей емкости не должно превосходить по своему значению времени, равному  четверти периода несущего колебания. В этом случае конденсатор успеет зарядиться и быстро сформировать передний фронт манипулирующего сигнала, поскольку этим напряжением, приложенным к диоду он закроется. Если постоянная заряда будет большой, то формирование переднего фронта детектируемого колебания затянется. Конденсатор фильтра долгое время оказывается под малым зарядным напряжением, диод детектора не запирается.