7.4. Детектирование сигналов

Для чего нужен процесс детектирования

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.

а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по амплитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Детектирование

Передача по радио звуков (речи, музыки и т. д.) осуществляется с помощью радиоволн. Для этого звуковыми колебаниями, преобразованными в электрические, воздействуют на высокочастотные колебания радиопередатчика. Высокочастотные колебания, подвергшиеся воздействию передаваемых звуковых колебаний, называются модулированными.

Достигнув приёмной антенны, радиоволны возбуждают в ней колебания, модулированные так же, как и те, которые излучаются антенной передатчика. Для того, чтобы воспроизвести передаваемые сигналы, из поступивших в приёмник модулированных колебаний должны быть получены низкочастотные колебания, соответствующие передаваемому звуку. Процесс получения последних называется детектированием, а устройства, в которых этот процесс осуществляется,- детекторами.

Для передачи сигналов можно воздействовать на высокочастотные колебания так, чтобы эти сигналы изменяли либо амплитуду высокочастотных колебаний (амплитудная модуляция), либо их частоту (частотная модуляция), или применением ещё какого-нибудь более сложного вида модуляции. Процесс детектирования различно модулированных высокочастотных колебаний протекает по-разному. Поскольку для целей радиовещания пока наиболее широко применяется амплитудная модуляция, и процесс детектирования мы будем рассматривать только для случая колебаний, модулированных по амплитуде.

В своих первых приёмниках изобретатель радио А. С. Попов для детектирования высокочастотных колебаний применял так называемый когерер. Однако когерер обладает рядом недостатков, и А. С.Попов вынужден был поэтому заменить его кристаллическим детектором. В дальнейшем П. Н. Рыбкин (ближайший сотрудник А. С. Попова) предложил метод непосредственного преобразования принимаемых затухающих высокочастотных колебаний в звуковые сигналы при помощи кристаллического детектора и телефона. Это позволило производить приём на слух телеграфных сигналов и послужило первым и наиболее важным шагом в осуществлении радиотелефонии.

«ИДЕАЛЬНЫЙ» ДЕТЕКТОР

Для того, чтобы форма «огибающей» модулированных колебаний (рис. 1), подводимых к детектору приёмника, была такой же, как и форма «огибающей» колебаний, излучаемых передающей антенной, необходимо, чтобы приёмник «пропускал» всю передаваемую полосу частот.

Рис. 1. Кривая, проходящая через «вершины» модулированных колебаний, называется «огибающей» этих модулированных колебаний.

Низкочастотный ток, имеющий форму этой огибающей, может быть получен с помощью цепи, пропускающей ток только в одном направлении (полное выпрямление) или пропускающей ток в одном направлении лучше, чем в другом (частичное выпрямление).

Рассмотрим сначала случай полного выпрямления.

Представим себе проводник, который обладает следующими свойствами: если к его концам приложено напряжение U одного направления, по этому проводнику течёт ток I, пропорциональный этому напряжению, как и в обычном проводнике; но при перемене знаков напряжения ток в проводнике вовсе не возникает. Такой проводник называют идеальным детектором.

Посмотрим теперь, какой ток течёт в цепи идеального детектора, когда на него действуют немодулированные колебания.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика идеального детектора.

Для этого поступаем следующим образом: под характеристикой детектора вдоль её вертикальной оси изобразим графически зависимость приложенного напряжения от времени t (рис. 3). Каждому значению приложенного напряжения соответствует определённое значение силы тока в цепи детектора, которое можно найти по его характеристике (для нахождения этих значений тока служат вертикальные пунктирные линии на рис, 3). Так как приложенное напряжение всё время изменяется, то изменяется и ток. Откладывая различные значения тока вправо в такой же последовательности, как соответствующие изменения напряжения (для этого служат горизонтальные пунктирные линии на рис. 3), мы получим графическое изображение изменения тока в цепи детектора от времени t.

Рис. 3. Графическое построение кривой изменения тока в цепи идеального детектора при приложенном к нему синусоидальном напряжении.

Сила тока в цепи изображается «половинками синусоид» одного направления. Иначе говоря, в цепи детектора получаются лишь отдельные импульсы тока, текущего только в одном направлении. Такой ток называется пульсирующим.

ПОСТОЯННАЯ И ПЕРЕМЕННАЯ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Так как количество электричества, протекающего в цепи за какое-либо время, равно произведению силы тока на время, в течение которого этот ток протекает, то, следовательно, оно выражается площадью, заключённой между кривой, изображающей изменения силы тока, и осью времени. Поэтому постоянная составляющая данного пульсирующего тока, т. е. его среднее значение, изображается такой прямой, для которой площадь между ней и осью времени (заштрихованная площадь на рис. 4, Б), равна площади, ограниченной импульсами пульсирующего тока (заштрихованная площадь на рис. 4, А).

Постоянная составляющая пульсирующего тока будет тем большей, чем больше высота импульсов, т. е. в конечном счёте, чем больше амплитуда подводимого к детектору напряжения.

Рис. 4. График А представляет собой сумму постоянного тока, показанного на графике Б, и переменного тока, показанного на графике В.

Переменная составляющая пульсирующего тока в сумме с постоянной составляющей должна дать рассматриваемый пульсирующий ток. Как видно из рис. 4, В, эта переменная составляющая имеет ту же частоту, что и подводимое к детектору напряжение, но её кривая по форме не является синусоидальной. В то же время площади, ограниченные участками этой кривой, лежащими выше и ниже оси времени (штриховка с разным наклоном), равны, а следовательно, количества электричества, протекающего за период в том и другом направлении, одинаковы. Следовательно, количество электричества, протекающее в цепи, в среднем за период равно нулю, как и в случае обычного переменного тока. Величина переменной составляющей пульсирующего тока тем больше, чем больше «высота» импульсов.

Рис. 5. Схема простейшего детекторного приёмника.

Рассмотренный нами способ разложения пульсирующего тока на постоянную и переменную составляющие может показаться искусственным и чисто формальным. Однако в действительности такое разложение и происходит в цепи детектора и телефона. Рассмотрим простейшую схему приёмника с кристаллическим детектором (рис. 5). Здесь к концам катушки L1 колебательного контура присоединяется цепь, состоящая из последовательно включённых детектора Д и обмотки телефона Т. Параллельно обмоткам телефона обычно включается блокировочный конденсатор С_б. При наличии колебаний в контуре на катушке L1 возникает высокочастотное напряжение, которое должно быть подано на детектор. Включённые последовательно с детектором обмотки телефона обладают значительным активным сопротивлением и, кроме того, большим индуктивным сопротивлением для токов высокой частоты. Поэтому, если бы напряжение высокой частоты подавалось на детектор через эти обмотки, то на них падала бы значительная часть этого напряжения. Следовательно, на детекторе падала бы лишь малая доля всего высокочастотного напряжения, возникающего в колебательном контуре. Чтобы избежать этого и служит блокировочный конденсатор С_б ёмкостью от нескольких сот до тысячи пикофарад. Такой конденсатор обладает малым сопротивлением для токов высокой частоты и поэтому высокочастотное напряжение с контура почти полностью поступает на детектор (Между витками обмотки телефона и проводами, с помощью которых они соединяются со схемой приёмника, всегда существует ёмкость, которая как бы включена параллельно обмоткам. Она играет такую же роль, как и блокировочный конденсатор С_б; поэтому и при отсутствии в приёмнике блокировочного конденсатора схема цепи детектора и телефона практически остаётся такой же, как изображённая на рис. 5.).

Итак, в цепи детектора под действием синусоидального напряжения возникают как постоянная составляющая тока, так и переменная. При этом постоянная составляющая будет тем большей, чем больше амплитуда напряжения, подаваемого на детектор.

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Теперь рассмотрим случай, когда на детектор действуют модулированные колебания. Так как величина постоянной составляющей зависит от амплитуды подводимого к детектору напряжения, то в данном случае «постоянная» составляющая будет изменяться в соответствии с изменением амплитуды этих модулированных колебаний (рис. 6, В). Иначе говоря, в случае детектирования модулированных колебаний в цепи детектора возникает ещё и переменная составляющая напряжения низкой частоты, кривая изменения которого по форме подобна огибающей модулированных колебаний, подаваемых на детектор.

Переменная составляющая низкой частоты, проходя через обмотки телефона (Ёмкость конденсатора подбирается так, чтобы его сопротивление для составляющей низкой частоты было значительно больше сопротивления обмоток телефона.), заставляет его воспроизводить те звуки, которые воздействуют на микрофон передатчика. Так же как и в случае, когда на детектор подаётся немодулированное напряжение, высокочастотная переменная составляющая пройдёт через блокировочный конденсатор.

Реальный детектор пропускает ток в обратном направлении, т. е. обладает несимметричной проводимостью. Его вольтамперная характеристика имеет различную крутизну при различных направлениях приложенного напряжения. Предположив, что она имеет вид, изображённый на рис. 7, повторим и для этого случая построение, аналогичное рис. 3. В этом случае мы получаем импульсы двух направлений. Можно считать, что импульсы каждого из них дают постоянную составляющую, определяемую их высотой. А поскольку высота импульсов тока различных направлений неодинакова, то и их постоянные составляющие также различны. Так как эти постоянные составляющие текут в разные стороны (поскольку импульсы направлены в разные стороны), то результирующее значение постоянной составляющей в цепи равно разности этих двух постоянных составляющих. Величина результирующей постоянной составляющей будет очевидно меньше, чем в случае идеального детектора, но она и в этом случае будет зависеть от амплитуды подводимого напряжения. Поэтому реальный детектор, так же как и идеальный, в случае модулированных колебаний будет давать низкочастотную составляющую, по форме подобную огибающей модулированных колебаний, но амплитуда её будет меньше, чем в случае идеального детектора.

Рис. 7. Графическое построение кривой изменения тока в цепи реального детектора при приложенном к нему синусоидальном напряжении.

КОНСТРУКЦИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРОВ

Наиболее простым является контактный или кристаллический детектор, в котором несимметричной проводимостью обладает, контакт между кристаллом и металлом или двумя различными кристаллами.

Большинство таких детекторов довоенных выпусков обладали одинаковыми недостатками: для того, чтобы они детектировали, нужно было переставлением конца спиральки отыскивать та поверхности кристалла чувствительную (детектирующую) точку и регулировать степень нажима спиральки на кристалл; при малейшем толчке спиралька смещалась и детектор переставал работать. Только детектор с кристаллом карборунда был свободен от этого недостатка, но зато он отличался низкой чувствительностью.

Современные детекторы обладают постоянной рабочей точкой и поэтому не требуют настройки и регулировки. К наиболее распространённым современным детекторам относятся купроксный и кремниевый детекторы.

Первый из них представляет собой миниатюрный купроксный выпрямитель. Такой детектор обладает не очень высокой чувствительностью и поэтому применяется главным образом при приёме местных радиостанций.

Описанный детектор обладает хорошей чувствительностью; он дёшев, прост и удобен в обращении.

Группа советских специалистов под руководством инженера А. Пужай разработала конструкцию германиевого детектора.

Такой детектор по внешнему виду напоминает маленький круглый конденсатор постоянной ёмкости. Германиевый детектор обладает высокой чувствительностью и «весьма устойчив в работе.

В заключение отметим, что до появления электронной лампы кристаллический детектор был единственным типом детектора, применявшимся в радиоприёмниках. Однако после появления электронной лампы положение изменилось. Электронная лампа, способная не только детектировать, но также усиливать и генерировать колебания, стала вытеснять кристаллический детектор.

Но в будущем положение, повидимому, снова должно измениться. Дело в том, что, как показал ещё в 1922 году советский изобретатель О. В. Лосев, кристаллический детектор также может служить для усиления и генерирования колебаний. Это изобретение Лосева в своём дальнейшем развитии привело к созданию кристаллического триода, в котором имеются не один, а два металлических проводника, образующих контакт с кристаллом. Кристаллический триод может служить усилителем колебаний.

Какие виды детекции полезны в видеонаблюдении. Механизмы и функции

Сигнал извещения при обнаружении движения (детекция) в поле зрения камеры – это базовая функция, без которой невозможно представить современную систему видеонаблюдения. Однако даже у этой простой и понятной для пользователя функции есть множество нюансов, влияющих на стоимость и качество работы всей системы.

Сегодня мы познакомим вас с различными видами детекции, используемых в камерах видеонаблюдения, расскажем об их преимуществах и недостатках, подробно сравним устройства, интегрированные с облаком, и с аналитикой «на борту».

Мы предлагаем несколько решений, которые построены на алгоритмах определения объекта и движения в кадре:

Детектор движения — это часть системы видеоаналитики, доступной для всех камер сервиса Ivideon. Он определяет движение в выбранной области, а если пользователь её не задал, то детектор работает по всей зоне кадра. В основе детектора лежит алгоритм, создающий фоновое изображение и сравнивающий последующие кадры с фоном. Таким образом удается избежать ложных срабатываний при небольшом изменении кадра. Например, детектор не сработает, если за окном пролетит птица. Но сработает, если неподвижно сидящий человек начнет двигать рукой. Кроме сравнения кадров с фоном применяются дополнительные алгоритмы обнаружения движения, повышающие качество работы.

Детектор очередей — это модуль видеоаналитики, который используется для обнаружения очереди на основе подсчёта голов в кадре. Детектор разрабатывался с использованием машинного обучения, то есть его точность увеличивалась по мере использования.

Распознавание лиц — технология видеоаналитики, которая чаще всего необходима крупным компаниям банковского и страхового сектора, где существуют высокие требования к безопасности и соблюдению служебной тайны. Подробнее о ней мы писали здесь (ссылка на статью про эмоции).

Все эти технологии появились после долгой эволюции, начало которой положили аналоговые детекторы.

Аналоговый внешний детектор движения

Пассивный инфракрасный датчик пироэлектриком фиксирует уровни инфракрасного излучения

Ранее на рынке систем видеонаблюдения господствовали аналоговые камеры со стандартным разрешением, как правило, 576р. Для активации записи при обнаружении движения использовались отдельные внешние датчики.

В них устанавливались чувствительные к теплу инфракрасные сенсоры, которые реагировали на появление в зоне контроля источника тепла (человека) и определяли факт его передвижения. Сигнал с датчика активировал запись изображения с камеры на кассету видеомагнитофона или срабатывание сигнала тревоги в системе безопасности.

Стандартный ИР-датчик движения

Такая технология применяется и сегодня благодаря низкой стоимости, высокой чувствительности и возможности работы с дешевыми аналоговыми камерами, но все плюсы нивелируются серьезными проблемами использования аналогового детектора.

Во-первых, его датчик охватывает своим «недремлющим оком» всю охраняемую площадь. У вас нет возможности закрыть от детектора определенный сектор, в котором может быть, например, движение теплых воздушных масс. В этом случае вы столкнётесь с периодическими ложными срабатываниями, а охрана объекта получит головную боль.

Конечно, можно попытаться минимизировать ложные срабатывания, регулируя чувствительность детектора и меняя угол наблюдения, но это не всегда лучшее решение.

Во-вторых, к ложным срабатываниям датчика могут привести различные атмосферные явления: снег, дождь или пыль. Он также довольно чувствителен к искусственным помехам.

Определяем активность в кадре

Мультиплексор для работы с аналоговыми камерами (с)

С развитием цифровых технологий обработки видеоданных появилась возможность встраивать детекторы активности в мультиплексоры, хотя сами камеры на том этапе еще были аналоговыми.

Задачей мультиплексора является сведение видеопотока от нескольких камер в единый видеоряд для демонстрации на мониторах охраны и записи на Time Lapse-видеомагнитофон.

Именно тот период можно считать переломным моментом в развитии технологии детекции. И здесь нет опечатки: речь идёт о распознавании активности в специально отмеченных зонах кадра – эту операцию и производил мультиплексор.

Его можно было запрограммировать на определение активности в видеоряде, поступающем с одной или нескольких камер. С этой целью кадр разбивался на зоны (как правило, 256 зон 16х16 квадратов), и в процессе настройки системы специалист мог выбрать, в каких зонах нужно анализировать активность, а в каких нет.

В отличие от аналогового датчика движения тревожный сигнал формировался при наличии активности только в выбранных зонах, а не на всей площади кадра. Такой подход обеспечивал большую гибкость и удобство контроля, сводя к минимуму ложные срабатывания системы.

Ещё одним плюсом этой технологии можно считать возможность активации записи со стандартной частотой кадров при наличии активности на камере. В мультиплексоре была возможность настроить запись видеопотока с конкретной камеры в полнокадровом режиме, чтобы потом получить нормальное динамичное видео без рывков и пропуска кадров, с плавной передачей эффекта движения. Видео же с остальных камер продолжало записываться с пониженной частотой кадров.

Технология обладала существенными преимуществами по сравнению с аналоговой детекцией движения. В первую очередь, меньше ложных срабатываний за счет гибкой настройки зон контроля. Такая система практически не была подвержена влиянию атмосферных осадков.

Прогресс не стоит на месте, и на смену аналоговым камерам видеонаблюдения стандартного разрешения пришли цифровые Full HD-камеры, а аналоговые мультиплексоры и Time Lapse-видеомагнитофоны были вытеснены цифровыми регистраторами, а также локальными и облачными видеосерверами. Всё это привело к тому, что пользователи цифровых систем видеонаблюдения получили дополнительные возможности, о которых мы и расскажем вам ниже.

Детектор активности, встроенный в камеру

Появление мощных DSP (цифровых сигнальных процессоров) для обработки видео дало возможность разработчикам встраивать детекторы движения (и не только их) непосредственно в саму камеру. Мы будем называть такие камеры «умными», или «камерами с аналитикой».

Вы можете выбрать в кадре нужную зону, активность в которой хотите отслеживать, и при этом вы, как правило, не ограничены только квадратами определенного размера. Умные камеры позволяют задавать зоны любого размера и формы и активировать запись, например, на установленный флеш-накопитель. И конечно, они могут передать тревожный сигнал.

Умные камеры не ограничиваются только определением наличия движения в кадре. Более продвинутые модели могут отправлять уведомления о различных событиях на объекте, например, на электронную почту.

У некоторых камер есть возможность настройки временного интервала отслеживания движения. И конечно, большинство современных камер с аналитикой еще и выделяют в кадре подвижные объекты, на которые оператору нужно обратить внимание.

Заметим, что сейчас набирают популярность технологии, недоступные ранее для большинства систем видеонаблюдения:

Также необходимо учитывать и размер, который занимает в кадре распознаваемый объект. Согласно требованиям европейского стандарта EN 50 132-7, для обнаружения, распознавания и идентификации людей и объектов введено понятие «плотность пикселей», или количество пикселей изображения на 1 м горизонтального расстояния до наблюдаемой цели.

Как видите, для уверенного обнаружения людей в кадре требуется плотность не менее 40 мм/пиксель. Понятно, что распознавание людей — это достаточно сложная задача, поэтому требования к качеству изображения здесь предъявляются очень высокие.

А если мы возьмем, например, задачу распознавания автомобильных номеров, то для этого высота номерных знаков и букв должна составлять примерно 15 пикселей, что эквивалентно 200 мм/пиксель.

Помимо качественной картинки самую важную роль в любой детекции играют используемые алгоритмы.
Детекция внешняя и встроенная

Программы детектирования могут быть встроены в камеру или располагаться на удаленном видео- или облачном сервере.

Рассмотрим достоинства и недостатки этих подходов.

Поговорим о недостатках встроенной детекции.

Любая встроенная в камеру функция повышает её стоимость. Ведь разработчику нужно создать соответствующее ПО и провести его отладку и тестирование. А покупатель должен всё это оплатить.

Как правило, большинство встроенных в камеру алгоритмов детекции являются достаточно упрощенными. Ведь производителю проще написать ПО один раз и продавать его как можно дольше.

Процессор Fullhan 8520 в камере Dahua (c)

Качественные алгоритмы детекции требуют для своей работы мощные DSP, а чем мощнее процессор, тем дороже будет камера. Получается, что покупатель фактически оказывается «привязан» к строго определенному, зашитому в камеру алгоритму детекции, который может быть не слишком эффективным, а производитель не спешит выпускать обновление. Или он не всегда может это сделать в случае со старым «железом». Производителю проще выпустить новую, более дорогую камеру, чем тратить время и деньги на доработку старой.

Планируя покупку камеры, особенно у производителя из низкого ценового сегмента, задумайтесь о том, нужны ли вам «фичи» в виде встроенной детекции. И сейчас объясним, почему.

Достоинства и недостатки внешней детекции

Алгоритмы проанализируют отправленный на облачный или локальный сервер видеопоток и выдадут результат. Именно этот вариант реализован в Ivideon.

В отличие от зашитого в камеру алгоритма детекции движения, работа над улучшением используемых в нашем облаке технологий не прекращается. В частности, мы совсем недавно обновили настройки детектора движения в личном кабинете сервиса.

Все настройки в кабинете пользователь может делать удаленно с ПК или любого гаджета. Теперь мы добавили раздел «Детекция», в котором можно настраивать зону и чувствительность детектора движения. Аналогичные настройки есть и для звукового тракта.

Настройка детектора движения простая и наглядная: пользователю не надо думать, насколько эффективны алгоритмы детекции и как их обновить. Этими вопросами занимаются наши программисты.

Использование сервиса облачного видеонаблюдения позволяет легко организовать любую детекцию, независимо от типа и цены установленных на вашем объекте камер. Вы можете настроить детекцию движения или активировать функцию распознавания лиц. Вам не нужно приобретать новые камеры, достаточно просто выбрать нужную опцию в личном кабинете сервиса.

Детектирование колебаний

Детектированием
(демодуляцией) называют процесс
преобразования модулированного
высокочастотного сигнала в колебание,
форма которого воспроизводит низкочастотный
модулирующий сигнал. Детекторы
(демодуляторы) выполняют функцию,
обратную функции, осуществляемой
модуляторами, и делятся на амплитудные,
частотные, фазовые, импульсные, цифровые
и т. д.

Амплитудные
детекторы На
вход детектора АМ-сигнала (АМ-детектора)
подают высокочастотное модулированное
колебание

Выходное
же напряжение АМ-детектора должно быть
низкочастотным пропорциональным
передаваемому сигналу.

Схема
последовательного
диодного детектора,
у которого диод V_D
включен последовательно с низкочастотным
R_НС_Н-фильтром.

Рис.
15. Последовательный диодный детектор:

а
— схема; б — диаграммы напряжений

Пусть
на вход диодного детектора поступает
однотональный АМ-сигнал

Ток
через диод протекает в моменты времени,
когда амплитуда входного напряжения
u_ВХ
превышает напряжение на конденсаторе
С_Н
(а значит, и на выходе детектора u_ВЫХ).
Конденсатор С_Н
заряжается через малое сопротивление
открытого диода намного быстрее, чем
разряжается на высокоомное сопротивление
нагрузки R_H.

Частотный
детектор.
При детектировании радиосигналов с
угловой модуляцией их предварительно
преобразуют в колебания с неглубокой
амплитудной модуляцией и затем детектируют
амплитудным детектором. Такое
преобразование необходимо потому, что
нелинейные элементы реагируют на
изменения только амплитуды, а не частоты
и фазы колебаний. Для выделения
передаваемого сигнала из
частотно-модулированного колебания
применяют частотные детекторы.
Преобразование частотной или фазовой
модуляции в амплитудную осуществляют
с помощью линейных цепей, в частности
резонансного контура, амплитуда
напряжения на котором зависит от частоты
входных колебаний. Положим, что контур
настроен на частоту ω_Р
и на него подают однотональный ЧМ-сигнал
с постоянной амплитудой и меняющейся
по гармоническому закону частотой

(здесь
ω₀
— частота несущего; ω_Д
— девиация частоты). Поскольку модуль
полного сопротивления контура зависит
от частоты, то амплитуда напряжения на
нем будет изменяться во времени при
отклонениях частоты ЧМ-сигнала от
несущей ω₀.
Амплитуда ЧМ-колебания на выходе
резонансного контура изменяется во
времени пропорционально гармоническому
модулирующему сигналу, т. е. ЧМ-сигнал
преобразуется в напряжение, модулированное
еще и по амплитуде. Затем такое, достаточно
сложное по структуре АМ-ЧМ-колебание,
детектируется амплитудным детектором.
Недостаток этого метода детектирования
— ограниченный линейный участок на
скате резонансной кривой контура.

Рис.
18. Преобразование ЧМ-сигнала в
АМ-ЧМ-колебание

Преобразования сигналов в параметрических цепях

Линейно-параметрические
цепи-радиотехнические цепи, один или
несколько параметров которых изменяются
во времени по заданному закону, называют
параметрическими (линейными цепями с
переменными параметрами). Предполагается,
что изменение какого-либо параметра
осуществляют электронным методом с
помощью управляющего сигнала. В линейно-
параметрической цепи параметры элементов
не зависят от уровня сигнала, но могут
независимо изменяться во времени.
Реально параметрический элемент получают
из нелинейного элемента, на вход которого
подают сумму двух независимых сигналов.
Один из них несет информацию и имеет
малую амплитуду, так что в области его
изменений параметры цепи практически
постоянны. Вторым является управляющий
сигнал большой амплитуды, который
изменяет положение рабочей точки
нелинейного элемента, а следовательно,
его параметр.

В
радиотехнике широко применяют
параметрические сопротивления R(t),
параметрические индуктивности L(t) и
параметрические емкости C(t).

Для
параметрического сопротивления R(t)
управляемым параметром является
дифференциальная крутизна

Наиболее
широко параметрические сопротивления
применяют для преобразования частоты
сигналов. Гетеродинирование — процесс
нелинейного или параметрического
смешивания двух сигналов разных частот
для получения колебаний третьей частоты,
в результате которого происходит
смещение спектра исходного сигнала.

Рис.
24. Структурная схема преобразователя
частоты

Преобразователь
частоты (рис.24) состоит из смесителя
(СМ) — параметрического элемента
(например, МДП-транзистора, варикапа и
т. д.), гетеродина (Г) — вспомогательного
генератора гармонических колебаний с
частотой ωг, служащего для параметрического
управления смесителем, и фильтра
промежуточной частоты (ФПЧ) — полосового
фильтра

Принцип
действия преобразователя частоты
рассмотрим на примере переноса спектра
однотонального АМ-сигнала. Допустим,
что под воздействием гетеродинного
напряжения

крутизна
характеристики МДП-транзистора изменяется
приближенно по закону

где
S₀
и S₁
— соответственно среднее значение и
первая гармоническая составляющая
крутизны характеристики. При поступлении
на преобразующий МДП-транзистор смесителя
приемника АМ-сигнала

переменная
составляющая выходного тока будет
определяться выражением:

Пусть
в качестве промежуточной частоты
параметрического преобразователя
выбрана частота

Тогда,
выделив ее с помощью контура УПЧ из
спектра тока

Временные
и спектральные диаграммы сигналов с
амплитудной модуляцией

на
входе и выходе преобразователя частоты
показаны на рис.25.

Рис.25.
Диаграммы сигналов на входе и выходе
преобразователя частоты:

а
— временные; б — спектральные

Соседние файлы в папке Лекции_РЭС

Детектирование
(демодуляция)
– нелинейный процесс, в результате
которого из модулированного высокочастотного
сигнала выделяется низкочастотный
сигнал сообщения. Детектирование – это
радиотехнический процесс обратный
модуляции и поэтому его часто называют
демодуляцией.

Амплитудный
детектор (АД).
Процесс детектирования рассмотрим для
случая АМ-сигнала с однотональной
модуляцией:

После
детектирования мы должны получить
низкочастотный сигнал сообщения
Поскольку в спектре высокочастотного
модулированного сигналане содержится низкочастотная составляющая
с частотой,
то возникает необходимость в изменении
спектра высокочастотного модулированного
сигнала с последующим выделением
низкочастотной составляющей сигнала
сообщения. Этим определяется структурная
схема АД (рис. 7.7а), в которой нелинейный
элемент, преобразует спектр АМ- сигнала,
а с помощью фильтра низких частот (ФНЧ)
из преобразованного спектра выделяется
низкочастотный сигнал сообщения.

В
качестве нелинейного элемента в АД чаще
всего используются высокочастотные
диоды, а в качестве фильтра нижних частот
(ФНЧ) обычно используют RC– цепочку
в виде параллельного соединения резистора
и конденсатора. Принципиальная схема
диодного АД с последовательным включением
диода представлена на рис. 7.7б. Величину
емкости конденсатора C
и сопротивления резистора R
выбирают
из условия, чтобы RC-цепь
эффективно выделяла полезный низкочастотный
сигнал сообщения и подавляла паразитные
высокочастотные составляющие спектра,
преобразованного диодом модулированного
высокочастотного сигнала. Для этого
необходимо выполнение неравенства:

где
– несущая частота;– верхняя частота спектра низкочастотного
сигнала сообщения.

Рис. 7.7.
Схемы детекторов амплитудно-модулированных
сигналов

б)
схема диодного амплитудного детектора

Квадратичное
детектирование.
При подаче на вход детектора
амплитудно-модулированного сигнала с
малой амплитудой (0,3 В) вольт-амперная характеристика
диода достаточно точно аппроксимируется
полиномом второй степени:

Пусть
на вход амплитудного детектора поступает
сигнал вида

Подставив
(7.27) в (7.26), получим

Из
этого выражения видно, что вследствие
нелинейности ВАХ диод изменил спектр
выходного тока. На выходе диода ток
содержит постоянную составляющую,
низкочастотную составляющую и две
высокочастотные составляющие с частотами
и.
ФНЧ отфильтрует высокочастотные
составляющие. Разделительный конденсаторне пропускает на выход детектора
постоянное напряжение, возникающее на
резистореR
за счет протекания постоянной составляющей
тока. Низкочастотная составляющая тока,
которая несет информацию,

протекая
через резистор R,
образует выходное напряжение детектора,
пропорциональное квадрату амплитуды
входного сигнала

Поэтому
такое детектирование называется
квадратичным.

В
случае модуляции однотональным
низкочастотным сигналом
получим

Как
видно из (7.31), при квадратичном
детектировании выходное напряжение
кроме полезного сигнала с частотой
содержит составляющую с удвоенной
частотой 2,
которая порождает нелинейные искажения
передаваемого сигнала. Поэтому
квадратичное детектирование используется,
например, для детектирования радиоимпульсов
прямоугольной формы. Ввиду больших
нелинейных искажений, квадратичное
детектирование не применяется в
радиовещании.

Как
видно из рис. 7.8 ток через диод протекает
только часть периода, т.е. диод работает
в режиме отсечки с углом отсечки
<90⁰.
В спектре импульсов тока содержится
низкочастотная (нулевая) составляющая,
основная гармоника с частотой
и бесконечное количество гармоник с
частотами кратными(см. ряд Фурье). В соответствии с
неравенством (7.25), из всего спектраRC-фильтр
низких частот выделит составляющую с
n=0,
которая изменяется по закону низкочастотного
информационного сигнала,

Низкочастотный
ток, протекая через резистор R,
образует напряжение

где
–
коэффициент нулевой гармоники.

В
стационарном режиме на диоде действует
напряжение
.
Угол
отсечки
определяется из условия:а
отсюда

Подставив
в (7.35)
выражение для
(7.34)
с явным представлением
,
получим

Откуда
получим уравнение, определяющее угол
отсечки
:

из
которого следует, что угол отсечки
не зависит от амплитуды входного сигнала,
а полностью определяется параметрами
схемыS
и R.
Поэтому,
согласно (7.34),
на выходе детектора напряжение прямо
пропорционально амплитуде входного
сигнала. На основании линейной зависимости
выходного напряжения от амплитуды
входного модулированного напряжения,
рассмотренный вид детектирования
получил название линейное детектирование.
Здесь фактически присутствует
отрицательная обратная связь,
стабилизирующая угол отсечки и,
следовательно, линейный режим работы
детектора.

Рис. 7.8
Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ
диода и временные диаграммы, поясняющие
процесс линейного детектирования

Однако
следует отметить, что линейное
детектирование осуществляется в
нелинейной цепи, в которой диод работает
с отсечкой тока.

Модуляция и детектирование

С
момента изобретения радио
Поповым прошло
некоторое время, когда люди захотели
вместо телеграфных сигналов, состоящих
из коротких и длинных сигналов, передавать
речь и музыку. Так была изобретена
радиотелефонная связь. Рассмотрим
основные принципы работы такой связи.
При радиотелефонной связи колебания
давления воздуха в звуковой волне
превращаются с помощью микрофона в
электрические колебания той же формы.
Казалось бы, если эти колебания усилить
и подать в антенну, то можно будет
передавать на расстояние речь и музыку
с помощьюэлектромагнитных
волн.
Однако в действительности такой способ
передачи неосуществим. Дело в том, что
колебания новой частоты представляют
собой сравнительно медленные колебания,
а электромагнитные волны низкой
(звуковой) частоты почти совсем не
излучаются. Для преодоления этого
препятствия были разработаны модуляция
и детектирование,
рассмотрим их подробней.

Модуляция

Для
осуществления радиотелефонной связи
необходимо использовать высокочастотные
колебания, интенсивно излучаемые
антенной. Незатухающие гармонические
колебания высокой частоты вырабатывает
генератор, например генератор на
транзисторе. Для передачи звука эти
высокочастотные колебания изменяют,
или как говорят, модулируют, с помощью
электрических колебаний низкой (звуковой)
частоты. Можно, например, изменять со
звуковой частотой амплитуду высокочастотных
колебаний. Этот способ называют
амплитудной модуляцией. Без модуляции
мы в лучшем случае можем контролировать,
работает станция или молчит. Без модуляции
нет ни телеграфной, ни телефонной, ни
телевизионной передачи. Амплитудная
модуляция высокочастотных колебаний
достигается специальным воздействием
на генератор незатухающих колебаний.

В
частности, модуляцию можно осуществить,
изменяя на колебательном контуре
напряжение, создаваемое источником.
Чем больше напряжение на контуре
генератора, тем больше энергии поступает
за период от источника в контур. Это
приводит к увеличению амплитуды колебаний
в контуре. При уменьшении напряжения
энергия, поступающая в контур, также
уменьшается. Поэтому уменьшается и
амплитуда колебаний в контуре. В самом
простом устройстве для осуществленияамплитудной
модуляции включают
последовательно с источником постоянного
напряжения дополнительный источник
переменного напряжения низкой частоты.

Этим
источником может быть, например, вторичная
обмотка трансформатора, если по его
первичной обмотке протекает ток звуковой
частоты. В результате амплитуда колебаний
в колебательном контуре генератора
будет изменяться в такт с изменениями
напряжения на транзисторе. Это и означает,
что высокочастотные колебания модулируются
по амплитуде низкочастотным сигналом.
Кромеамплитудной
модуляции,
в некоторых случаях применяют частотную
модуляцию — изменение частоты колебаний
в соответствии с управляющим сигналом.
Ее преимуществом является большая
устойчивость по отношению к помехам.

Детектирование

В
приемнике из модулированных колебаний
высокой частоты выделяются низкочастотные
колебания. Такой процесс преобразования
сигнала называют детектированием.
Полученный в результате детектирования
сигнал соответствует тому звуковому
сигналу, который действовал на микрофон
передатчика. После усиления колебания
низкой частоты могут быть превращены
в звук. Принятый приемником модулированный
высокочастотный сигнал даже после
усиления не способен непосредственно
вызвать колебания мембраны телефона
или рупора громкоговорителя со звуковой
частотой. Он может вызвать только
высокочастотные колебания, не
воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в
приемнике необходимо сначала из
высокочастотных модулированных колебаний
выделить сигнал звуковой частоты.
Термин детектирование осуществляется
устройством, содержащим элемент с
односторонней проводимостью – детектор.
Таким элементом может быть электронная
лампа (вакуумный диод) или полупроводниковый
диод.

Рассмотрим
работу полупроводникового детектора.
Пусть этот прибор включен в цепь
последовательно с источником модулированных
колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет
течь преимущественно в одном направлении.
В цепи будет течь пульсирующий ток. Этот
пульсирующий ток сглаживается с помощью
фильтра. Простейший фильтр представляет
собой конденсатор, присоединенный к
нагрузке. Фильтр работает так. В те
моменты времени, когда диод пропускает
ток, часть его проходит через нагрузку,
а другая часть ответвляется в конденсатор,
заряжая его. Разветвление тока уменьшает
пульсации тока, проходящего через
нагрузку. За­то в промежутке между
импульсами, когда диод заперт, конденсатор
частично разряжается через нагрузку.
Поэтому в интервале между импульсами
ток через нагрузку течет в ту же сторону.
Каждый новый импульс подзаряжает
конденсатор. В результате этого через
нагрузку течет ток звуковой частоты,
форма колебаний которого почти точно
воспроизводит форму низкочастотного
сигнала на передающей станции.