Sagedusdetektor

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 – Δ S {\displaystyle \Delta S} . Sellest alast väljapoole kaldumisega kaasnevad suured moonutused demoduleeritud signaali kujus. 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. 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. Diskriminaatorid töötavad lihtsa sagedusdetektorina. Neis kasutatakse ühte või kahte kandesageduse ω c {\displaystyle \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. 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 ) {\displaystyle s_{m}(t)} ja teine tugipinge u t ( t ) {\displaystyle u_{t}(t)} jaoks. Sünkroondetektori korrektseks tööks on vajalik, et tugipinge u t ( t ) {\displaystyle u_{t}(t)} sagedus f c {\displaystyle f_{c}} ja faas ϕ {\displaystyle \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. Sagedusmodulatsiooni korral on sisendsignaal s i ( t ) = A cos ⁡ ( 2 π [ f c + f Δ m ( t ) ] t ) {\displaystyle s_{i}(t)=A\cos({2\pi [f_{c}+f_{\Delta }m(t)]t})} Moduleerivast signaalist m ( t ) {\displaystyle m(t)} olenevalt kõigub hetkeline sagedus sagedusribas f c ± f Δ {\displaystyle f_{c}\pm f_{\Delta }} , kus f Δ {\displaystyle 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 S i = A 2 / 2 {\displaystyle Si=A^{2}/2} Sagedusdetektori väljundsignaali hetkväärtus s o ( t ) {\displaystyle s_{o}(t)} on võrdeline hetksagedusega S o ( t ) = α [ f c + f Δ m ( t ) ] {\displaystyle S_{o}(t)=\alpha [f_{c}+f_{\Delta }m(t)]} Kasulik signaal on selle avaldise teine liidetav, mille võimsus on S o = ( α f Δ ) 2 m 2 ( t ) ¯ {\displaystyle S_{o}=(\alpha f_{\Delta })^{2}{\overline {m^{2}(t)}}} m 2 ( t ) ¯ {\displaystyle {\overline {m^{2}(t)}}} – moduleeriva signaali võimsus ehk ruutkeskmine väärtus Mürasignaali n ( t ) {\displaystyle n(t)} võimsus detektori sisendis N i {\displaystyle N_{i}} on võrdeline sagedusriba laiusega N i = η ⋅ B {\displaystyle N_{i}=\eta \cdot B} η {\displaystyle \eta } – valge müra võimsuse spektraaltihedus Müravõimsuse saamiseks arvestame, et sagedusdetektorile järgneb madalpääsfilter, mille lõikesagedus on võrdne maksimaalse sagedusega signaali f ( t ) {\displaystyle f(t)} spektris F m {\displaystyle F_{m}} . Müravõimsus detektori filtri väljundis on N o = 2 η ⋅ F m 3 ⋅ ( α / A ) 2 3 {\displaystyle N_{o}=2\eta \cdot F_{m}^{3}\cdot {\frac {(\alpha /A)^{2}}{3}}} Seega signaali-müra detektori väljundis on võrdne S o N o = 3 A 2 η F m 2 ( f Δ F m 2 ) ⋅ m 2 ( t ) ¯ {\displaystyle {\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 {\displaystyle S_{i}} . Vaja on hoopiski tõsta suhet f Δ F m = m F {\displaystyle {f_{\Delta }}{Fm}=m_{F}} , mis tähendab omakorda suuremat deviatsiooni ja laiemat sagedusriba. Sagedusriba laiuse B {\displaystyle B} kasvuga suureneb müravõimsus detektori sisendis, kuid mitte väljundis. m F {\displaystyle m_{F}} – modulatsiooniindeks Eelmisest valemist saame leida ka signaali-müra suhte muutuse ehk modulatsioonivõimenduse sagedusdetektoris S o / N o S i / N i = 3 ( f Δ F m ) 2 B F m ⋅ m 2 ( t ) ¯ {\displaystyle {\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)}}} 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 ) {\displaystyle y(t)} . Kui signaal on küllalt suur ja faasiluku võimendus K {\displaystyle K} piisav, jälgib generaator signaali sisendsignaali (kande)sagedust. Seejuures väheneb sagedusdeviatsioon üheminekul vahesagedusele ( 1 + K ) {\displaystyle (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. 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: ω 1 = 1 / ( R 1 C ) {\displaystyle \omega _{1}=1/(R_{1}C)} , ω 2 ≅ 1 / ( R 2 C ) {\displaystyle \omega _{2}\cong 1/(R_{2}C)} , kui R 1 ≥ R 2 {\displaystyle R1\geq R2} . Tavaliselt valitakse järgmised sagedused: f 1 = ω 1 / 2 π {\displaystyle f_{1}=\omega _{1}/2\pi } (umbes 2,1 kHz ) ja f 2 = ω 2 / 2 π {\displaystyle f_{2}=\omega _{2}/2\pi } (üle 30 kHz). Sageduskarakteristikute kujust on näha, et saatja poolel tekitatud eelmoonutused kompenseeritakse täielikult vastuvõtja poolel. Ivo Müürsepp. "Sagedusdetektor" (PDF). Originaali (pdf) arhiivikoopia seisuga 17. mai 2014. A. Isotamm. "Raadioamatöödi käsiraamat", Ilmumiskoht: Tallinn, 1958 L. Abo. "Raadiolülitusedt", Ilmumiskoht: Tallinn, 1990 A. Meister. "Modulatsioon", Ilmumiskoht: Tallinn, 1999 Ivo Müürsepp. "Sünkroondetektor" (PDF). Originaali (pdf) arhiivikoopia seisuga 13. veebruar 2015.