Простые методы детектирования ЧМ(FM) сигнала. Конспект.

 Прошёл год после семинара, посвящённого детекторным и прямого усиления приёмникам УКВ ЧМ (FM) диапазонов. Тема вызвала интерес и собрала за этот период 10 тысяч посетителей. Анализ комментариев показал, что возникли  вопросы, посвящённые теории.

     Как обычный амплитудный детектор может выделить звуковую частоту из ЧМ (FM) сигнала?

 Давайте вместе заглянем в конспект по радиоприёмным устройствам в попытке  разобраться. 

 Подсоединим генератор с частотно модулированным колебанием к диоду с нагрузочным сопротивлением и получим выпрямленную форму тока на резисторе и постоянное напряжение, независящее от частоты девиации.

Рис.1.  Диодный выпрямитель.

Фото 1. Временные диограммы к рисунку 1.

             Нет никакого преобразования!       Ноль на выходе!

Фото 2.   Временные диаграммы ЧМ сигнала при прохождении  через амплитудный детектор, состоящий из полупроводникового диода и резистивной нагрузки.

Обычно на этом месте некоторые студенты засыпая, остаются в троллейбусе, а мы вместе с Шуриком из «операции Ы», героем произведения Гайдая, выйдем на остановке вслед за движущимся, пожелтевшим от времени конспектом, может быть из того самого фильма, и попробуем разобраться, потому как на следующем листке, возможно,  будет самое интересное.

 Оказывается, частотный детектор имеет структурную схему, позволяющую понять, что одним диодом здесь явно не обойтись.

Фото 3.   1.       амплитудный ограничитель;

2.       преобразователь ЧМ в другой вид модуляции;

3.       детектор - преобразователь напряжения.

Структурная схема фазового детектора. Структурная схема балансного ЧМ детектора

 Первый квадрат – амплитудный ограничитель, его задача избавиться от сопутствующей паразитной амплитудной модуляции, которая возникает  из-за неравномерности частотных характеристик полосовых фильтров, в данном случае промежуточной частоты, если речь идёт о современном супергетеродинном приёмнике (базовая схема всех современных приёмников).  В тракте промежуточной частоты сигнал разгоняется до амплитуды в несколько вольт, превращаясь  в амплитудно-частотно-модулированный, и избавляется от паразитной АМ  в ограничителе, восстанавливаясь снова в ЧМ, словно кустарник вдоль дорожки,  выровненный ножницами по высоте.

Фото 4.  АЧХ полосовго фильтра ПЧ 10,7 МГц.

Фото 6.  Временные диаграммы на входе и выходе фильтра ПЧ.

 Во втором квадрате ограниченный (выровненный) по амплитуде ЧМ сигнал необходимо преобразовать в другой вид модуляции. Сделать такое возможно с помощью линейной инерционной системы, которая позволяет получить зависимость коэффициента передачи от частоты.

  Самая простая и распространённая линейная инерционная система - это колебательный контур, в котором настройка на станцию осуществляется на любом его скате, и ЧМ сигнал опять превращается в АМ.

Фото 7.   ЧМ сигнал проходя через колибателный контур меняет свои параметры.  Коэффициент передачи сигнала во временном интервале меняется под воздействием модулирующей частоты. Схема амплитудного детектора с колебательным контуром. Приведены временные диаграммы в разных точках схемы. 

 Временные диаграммы ЧМ сигнала при прохождении  через амплитудный детектор, состоящий из полупроводникового диода и резистивной нагрузки

  Теперь в третьем квадрате – нелинейная безынерционная система, например, амплитудный детектор.

Фото 8. Так выглядит ЧМ после колебательного контура и после диода.

Фото 9.

Так может ли амплитудный детектор выделить звуковую частоту из ЧМ сигнала?

Почему нет, если ЧМ сигнал сначала превратить в АМ сигнал, а амплитудный детектор использовать  для выделения звуковой частоты!

Рис. 2.ЧМ детектор включает линейную инерционную систему (колебательный контур) и
нелинейную безынерционную систему (амплитудный детектор).

 Как всё просто! Вот в чём заключается сила конспекта! Кто-то честно отсидел за вас академический час, а вы за это время не успели даже разжевать полсосиски и выпить пустой стакан воды, как всё стало ясно! В отместку я подолью вам  больше воды!

 Мы остановились только на самом простом типе детектирования ЧМ сигнала. Но у этого метода есть свои недостатки. Это маленький рабочий участок характеристики ската контура, который даже трудно назвать линейным, ибо из-за своей кривизны демодулированный сигнал будет иметь значительные нелинейные искажения. Сам же контур способен жить своей собственной жизнью и, подстраиваясь под погоду и изменение температуры окружающей среды, менять свою резонансную настройку и тем самым продолжать  вносить ещё большие нелинейные искажения, похрипывая и прокашливаясь в роли диктора в акустической колонке, как будто  действительно простудился.

Попытка расширить линейный участок характеристики осуществляется:

1.       в балансном двухтактном ЧМ детекторе на двух взаимно расстроенных контурах;

2.       в ЧМ детекторе со связанными контурами (дискриминаторе);

3.       в ЧМ детекторе отношений или дробном детекторе, где выпрямленное отношение  или дробь напряжений  изменяется по закону модулирующей частоты;

4.       в фазовом детекторе.

Все четыре схемы очень похожи, хотя бы тем, что имеют в составе амплитудный детектор (целых два) и  амплитудный ограничитель (правда, детектор отношений уже является ограничителем), однако принцип работы у всех разный.  Я пока не буду переворачивать листки в конспекте, а то вы пожалуй  и правда уснёте.

 Скажу только, что кардинально решить проблему контура поможет метод преобразования сигнала в импульсное напряжение с дальнейшим преобразованием его в звуковую частоту посредством без индуктивных  электронных компонентов, что и было сделано на факультативе в третьей части радиолюбительского конструктора.

Частотный детектор.
 УПЧ, ограничитель, импульсно-счётный преобразователь, ФНЧ.

 Мне остаётся только напомнить, что такой детектор будет работать при выборе низкой промежуточной частоты, а приёмник станет отличным при двойном преобразовании  частоты.

  В современных интегральных схемах для бытовых приёмников ЧМ вот уже на протяжении 30 лет реализуется детектор квадратурного типа. Схема напоминает балансный смеситель, только вместо двух разных сигналов на один вход поступает ЧМ сигнал, выровненный в амплитудном ограничителе, а на другой вход такой же сигнал, но сдвинутый по частоте на фазовый сдвиг, благодаря фазовращательному контуру (параметрический L C контур или пьезокристаллический фильтр).   Детектор формирует сигнал, амплитуда которого зависит от девиации частоты. Эти схемы реализованы в постах:

 «Тюнер FM на микросхеме ТEA5710  для приёмника ретро» и

«SELGA– 405 и другие. Борьба за чувствительность». Эта статья дополнена установкой УКВ блока на микросхеме SA636 в приёмник ретро.

 Удачных всем  зачётов! Я тоже когда-то был студентом!

Конспект лекции на кафедре «Радиоприёмные устройства».  Московский ордена Трудового Красного Знамени электротехнический институт связи. Вечернее отделение. 1982г.