Sagedusdetektor

Sagedusdetektori ülekande tunnusjoon ehk S-kõver

Sagedusdemodulaator ehk -detektor on lülitus, mis eraldab sagedusmoduleeritud kõrgsagedussignaalist moduleeriva signaali ehk muudab sageduse hetkelised muutused pinge muutuseks. Sagedusdetektorid leiavad kasutust FM-raadiotes ja satelliitsides.

Kõikide sagedusdetektorite ülekandetunnusjoon on S-tähe kujuline, sellest ka nimetus S-kõver. Sagedusdetektori ülekandetunnusjoon näitab kuidas väljundpinge sõltub sagedusest. Moonutusete vaba töö tagab suhteliselt kitsas lineaarne osa kõvera keskosas – $\Delta S$. Sellest alast väljapoole kaldumisega kaasnevad suured moonutused demoduleeritud signaali kujus.

Sagedusdetektorina töötavad lülitused

Suhtedetektor

Suhtedetektor on põhiline sagedusmoduleeritud signaali detekteerimise lülitus. Suhtedetektori nimetus tuleneb sellest, et detektori väljundpinge sõltub dioodide voolude omavahelisest suhtest.

Suhtedetektor muudab moduleeritud signaali sageduse muutused kõigepealt pingetevaheliseks faasinihkeks ning selle omakorda pinge muutusteks. Saadud pingeid detekteerivad kaks tavalises lülituses AM-detektorit.

Suhtedetektori eeliseks on võime toimida rahuldavalt ka nõrkade sisendsignaalide korral. Puudus avaldub aga selles, et suhtedetektor nõuab väga täpset häälestamist.

Väljatransistoriga sagedusdetektor

Väljatransistori võimaldab kasutada sagedusdetektorina asjaolu, et madalal neelupingel (alla 0,5 V) toimib ta takisitina, mille kanali takistus sõltub lineaarselt paisupingest.

Üks võimalikke skeeme väljatransistoriga. Moduleeritud signaal andtakse detektorisse sidestuskondensaatori C1 kaudu, dioodid VD1 ja VD2 piiravad signaali kandesagedusvõnkumise amplituudi. Teoorias sagedusdetektor pole amplituudile tundlik, kuid praktikas on ning selleks, et väljundsignaalis ei tekiks moonutusi, tuleb amplituudi piirata. Võnkering L1, C2 on viimase vahesagedusastme koormuseks. Sidestuspooli L2 kaudu rakendub signaal väljatransistori VT1 neelule. Võnkering L3, C4 on samuti häälestatud vahesageduskanali kesksagedusele ning ergutub läbi mahtuvuse C3, mistõttu on pinge temal 90˚ võrra sisendpinge suhtes faasis nihutatud. Faasinihe muutub 90˚ ümber võrdeliselt sagedusdeviatsiooniga. Kuna madalal neelupingel sõltub väljatransistori kanali takistus lineaarselt paisupingest, siis muutub vastavalt faasinihkele transistori kanali takistus ning koormusel tekib demoduleeritud pinge.

Väljatransistoriga sagedusdetektori põhimõtteskeem

Diskriminaator

Kahe võnkeringiga diskriminaator

Diskriminaatorid töötavad lihtsa sagedusdetektorina. Neis kasutatakse ühte või kahte kandesageduse $\omega _{c}$ suhtes lahkuhäälestatud võnkeringi koos amplituuddetektori(te)ga. Kahe lahkuhäälestataud võnkeringiga skeemi summaarne tunnusjoon on lineaarsem kui üksikvõnkeringi korral. Ühevõnkeringiga diskriminaatori puudusteks on veel ka tundlikkus parasiitse amplituudmodulatsiooni (ajas muutuva amplituudi) suhtes.

Sünkroondetektor

Muundades sagedusmoduleeritud signaali sageduse muutuses peituva informatsiooni faasimuutuseks, saab detekteerimiseks kasutada sünkroondetektori faasitundlikkust. Teisisõnu saab sünkroondetektorit kasutada kaudsel meetodil töötava sagedusdetektorina. Lisaks demoduleerib sünkroondetektor ka kandjata AM ja ühekülgribamoduleeritud signaale ning PM moduleeritud signaale.

Seade koosneb korrutist, millel on kaks sisendit ja sellele järgnevast madalpääsfiltrist. Üks neist on mõeldud moduleeritud signaali $s_{m}(t)$ ja teine tugipinge $u_{t}(t)$ jaoks. Sünkroondetektori korrektseks tööks on vajalik, et tugipinge $u_{t}(t)$ sagedus $f_{c}$ ja faas $\phi$ oleksid täpselt samad kui kandesignaalil.

Sünkroondetektori eeliseks on võime demoduleerida erineva modulatsiooniga signaale, parem kvaliteet, väiksemad signaalimoonutused. Ehk siis puudub nähtus, kus suur müra maskeerib täielikult signaali detektoris.

Mürade mõju

Sagedusmodulatsiooni korral on sisendsignaal

$s_{i}(t)=A\cos({2\pi [f_{c}+f_{\Delta }m(t)]t})$

Moduleerivast signaalist $m(t)$ olenevalt kõigub hetkeline sagedus sagedusribas $f_{c}\pm f_{\Delta }$ , kus $f_{\Delta }$ on sagedusdeviatsioon ehk antud juhul kõrvalekalle kandevsagedusest.

Signaali ja müra võimsused sagedusdetektori väljundis saab ligikaudselt leida, eeldades, et teine liidetav puudub.

Sisendsignaali võimsus on alati võrdne

$Si=A^{2}/2$

Sagedusdetektori väljundsignaali hetkväärtus $s_{o}(t)$ on võrdeline hetksagedusega

$S_{o}(t)=\alpha [f_{c}+f_{\Delta }m(t)]$

Kasulik signaal on selle avaldise teine liidetav, mille võimsus on

$S_{o}=(\alpha f_{\Delta })^{2}{\overline {m^{2}(t)}}$

${\overline {m^{2}(t)}}$ – moduleeriva signaali võimsus ehk ruutkeskmine väärtus

Mürasignaali $n(t)$ võimsus detektori sisendis $N_{i}$ on võrdeline sagedusriba laiusega

$N_{i}=\eta \cdot B$

$\eta$ – valge müra võimsuse spektraaltihedus

Müravõimsuse saamiseks arvestame, et sagedusdetektorile järgneb madalpääsfilter, mille lõikesagedus on võrdne maksimaalse sagedusega signaali $f(t)$ spektris $F_{m}$. Müravõimsus detektori filtri väljundis on

$N_{o}=2\eta \cdot F_{m}^{3}\cdot {\frac {(\alpha /A)^{2}}{3}}$

Seega signaali-müra detektori väljundis on võrdne

${\frac {S_{o}}{N_{o}}}={\frac {3A^{2}}{\eta F_{m}2}}\left({\frac {f_{\Delta }}{F_{m}}}^{2}\right)\cdot {\overline {m^{2}(t)}}$

Avaldisest on näha, et signaali-müra suhet detektori väljundis saab suurendada, ilma et oleks vaja suurendada sisendvõimsust $S_{i}$. Vaja on hoopiski tõsta suhet

${f_{\Delta }}{Fm}=m_{F}$ ,

mis tähendab omakorda suuremat deviatsiooni ja laiemat sagedusriba. Sagedusriba laiuse $B$ kasvuga suureneb müravõimsus detektori sisendis, kuid mitte väljundis.

$m_{F}$ – modulatsiooniindeks

Eelmisest valemist saame leida ka signaali-müra suhte muutuse ehk modulatsioonivõimenduse sagedusdetektoris

${\frac {S_{o}/N_{o}}{S_{i}/N_{i}}}=3\left({\frac {f_{\Delta }}{F_{m}}}\right)^{2}{\frac {B}{F_{m}}}\cdot {\overline {m^{2}(t)}}$

Sagedusdetektori läviefekt

Küllalt suure sisendmüra juures tekib sagedusdetektori läviefekt, kus müra varjab signaali ja signaali-müra suhe detektori väljundis langeb järsult. Läviefekti teke on otseselt seotud mürapinge suurusega.

Läviefekti vähendamine on võimalik sagedusliku tagasisisdega sagedusdetektoris.

Ostsillaator on asendatud pingega juhitava generaatoriga (VCO), mille tüürpingeks on detektori väljundpinge $y(t)$. Kui signaal on küllalt suur ja faasiluku võimendus $K$ piisav, jälgib generaator signaali sisendsignaali (kande)sagedust. Seejuures väheneb sagedusdeviatsioon üheminekul vahesagedusele $(1+K)$ korda, mistõttu vahesagedusel on juba tegemist kitsaribalise FM-signaaliga. Koos sellega väheneb ka sagedusdetektorile minev mürapinge ja lävipinge väärtus. See võimaldab satelliitsideseadmeis saavutada lävipinge vähenemist 5–7 dB võrra.

Tagasisidega sagedusdetektor

Eelmoonutused

Eelmoonutusfiltrid

Eelmoonutusfiltrite sageduskarakteristikud

Eelmoonutuste kasutamine sagedusmodulatsiooni korral võimaldab vähendada läve väärtust. Müra toimel tekib sagedusdetektori väljundis mürasignaal, mille spektraaltihedus kasvab kõrgematel sagedustel järsult. Signaalis on aga kõrgemate sageduste osakaal tavaliselt väike. Kui tõsta saatja poolel signaali spektri kõrgemate sageduskomponentide taset ja vastuvõtjas pärast detekteerimist neid vastavalt jälle nõrgendada, on sellega võimalik müra mõju vähendada.

Selle tulemusena on võimalik vähendada nähtust, kus müra maskeerib signaali ning signaali-müra suhe detektori väljundis langeb järsult.

Eelmoonutuste tekitamiseks ja nende kompenseerimiseks kasutatakse tavaliselt saatjas kõrgpääs- ja vastuvõtjas madalpääsfiltrit.

Filtrite jaoks valitakse sagedused:

$\omega _{1}=1/(R_{1}C)$,

$\omega _{2}\cong 1/(R_{2}C)$, kui $R1\geq R2$.

Tavaliselt valitakse järgmised sagedused:

$f_{1}=\omega _{1}/2\pi$ (umbes 2,1 kHz ) ja

$f_{2}=\omega _{2}/2\pi$ (üle 30 kHz).

Sageduskarakteristikute kujust on näha, et saatja poolel tekitatud eelmoonutused kompenseeritakse täielikult vastuvõtja poolel.