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 –  \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.

### 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{3 A^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&nbsp;dB võrra.

### Eelmoonutused

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_1C),

\omega_2  \cong 1/(R_2C), kui  R1 \ge R2.

Tavaliselt valitakse järgmised sagedused:

f_1 = \omega_1/2\pi  (umbes 2,1&nbsp;kHz ) ja

f_2 = \omega_2/2\pi (üle 30&nbsp;kHz).

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

## Viited