| 6.2.2. Metody demodulace kmitočtově modulovaných signálů | |
Existují dvě principiálně odlišné metody demodulace kmitočtově modulovaného signálu: tzv. sklonové detektory (nazývané také diskriminátory, anglicky slope detectors), které využívají sklonu boku rezonanční křivky oscilačního obvodu k převodu frekvenční modulace na amplitudovou a tzv. fázový závěs. Princip sklonových detektorů ozřejmuje obrázek 6.4.
obr. 6.4.
K tomu, abychom ze změny kmitočtu modulovaného signálu usoudili na modulační signál potřebujeme obvod, který bude ”citlivý” na změny kmitočtu. Takovým obvodem je právě rezonanční obvod LC s dostatečnou kvalitou. Jak jsme si vykládali při vysvětlování funkce Q-metru, je napětí na kapacitě oscilačního LC obvodu maximální v případě rezonance. Když nyní naladíme oscilační obvod tak, aby frekvence nemodulované nosné fN nebyla jeho rezonanční frekvencí, ale ležela ”na boku” jeho rezonanční křivky, např. na vysokofrekvenční straně, jak je ukázáno na obrázku 6.4., pak při snížení frekvence nosné z hodnoty fN na hodnotu fN-D f, vzroste amplituda napětí nakmitaného na rezonančním obvodu a při zvýšení kmitočtu z hodnoty fN na hodnotu fN+D f tato amplituda klesne. Převedli jsme tedy kmitočtovou modulaci na modulaci amplitudovou, kterou již můžeme detekovat způsobem běžným pro detekci amplitudově modulovaného signálu, např. diodovým detektorem.
Jednoduchý rezonanční obvod, jaký je ukázán na obrázku 6.4. není v praxi užíván z důvodů nelinearity, tj. nelineární závislosti výstupní amplitudy na kmitočtu. Kombinace dvou rezonančních obvodů, jednoho naladěného ”pod” nosný kmitočet a jednoho naladěného ”nad” něj, které jsou napájeny napětím kmitočtově modulované nosné vlny v navzájem opačné fázi kompenzuje nelinearitu ”paty” rezonanční křivky, takže závislost výstupní amplitudy na frekvenci je v relativně širokém rozsahu lineární, viz obrázek 6.5.
obr. 6.5.
Takovému diskriminátoru říkáme fázový diskriminátor. Je zřejmé, že takto jednoduše konstruované diskriminátory budou citlivé i na amplitudu kmitočtově modulované nosné vlny a proto se před ně zařazuje tzv. omezovač amplitudy, tj. zesilovač, který ”uřeže” špičky průběhu modulované nosné na konstantní hodnotu. Existuje i diskriminátor, který je relativně necitlivý vůči změnám amplitudy kmitočtově modulované nosné vlny, takže omezovač nevyžaduje; říká se mu poměrový diskriminátor, nebo poměrový detektor. Rozbor fázového nebo poměrového diskriminátoru přesahuje již rozsah těchto skript, můžeme si ale pamatovat, že poměrový detektor byl pro svou jednoduchost nejčastěji používaným detektorem pro frekvenčně modulovaný signál jak v rozhlasových přijímačích, tak v televizorech pro detekci signálu zvukového doprovodu.
Druhou možností pro detekci kmitočtově modulovaného signálu je tzv. fázový závěs. Výhoda fázového závěsu tkví především v tom, že ke své funkci nepotřebuje indukčnosti a hodí se tedy velmi dobře pro obvody, které se dají vyrábět v integrované podobě. Prakticky jen několik rezistorů nebo kondenzátorů připojených externě k integrovanému obvodu je třeba ke konstrukci detektoru kmitočtově modulovaného signálu. Další předností je velmi dobrá linearita.
Fázový závěs byl vyvinut pro potřeby synchronizace dvou kmitočtů. Jeho základní princip tkví v tom, že mají-li dva harmonické signály konstantní rozdíl fáze vzhledem k času, musí být jejich kmitočty naprosto přesně shodné. Vysvětlení tohoto faktu si můžeme provést jednak logickou úvahou, jednak analogií. Představme si nejprve dva sinusové signály startující v čase t=0 z hodnoty y=0. Mají-li oba signály přesně stejný kmitočet (amplitudou se mohou lišit), ”sejdou” se pro t=T (T je jejich perioda) opět na ose úseček a tak dále po proběhnutí každé periody. Je-li perioda jednoho z těchto dvou signálů (řekněme signálu č.1) o něco málo delší (tj. má nižší kmitočet), protne tento signál osu úseček po jedné periodě v době o T2-T1 delší než signál č. 2, bude tedy fázově zpožděn vůči signálu č. 2. Po proběhnutí dvou period bude toto časové zpoždění dvakrát větší, tedy 2(T2-T1), po proběhnutí n period n-krát větší. Jinými slovy dva sinály, které mají fázový rozdíl nezávislý na čase, musí mít naprosto stejný kmitočet. Vysvětleme si tento princip ještě jednou v analogii. Představme si dvě stejná auta jedoucí za sebou po rovné silnici na stejný převodový stupeň. Frekvenci nám představují otáčky motoru za 1 sekundu. Budou-li otáčky motoru vozu jedoucího vpředu vyšší, než vozu jedoucího vzadu, bude se vzdálenost mezi nimi, kterou si můžeme přirovnat k fázovému posuvu jednoho motoru vůči druhému (pouze v tomto případě je fázový posun delší než jedna perioda, tj. kdybychom myšleně zastavili vůz vpředu, motor vozu jedoucího vzadu by se musel několikrát otočit, než by (myšleně!) splynul druhý vůz s prvním), zvětšovat, v opačném případě zmenšovat. Konstantní vzdálenosti mezi vozy (a tedy konstantního fázového rozdílu mezi motory) je možné dosáhnout jen tehdy, budou-li otáčky obou motorů a tedy jejich frekvence naprosto shodné.
Blokové schema fázového závěsu je velmi jednoduché. Skládá se z generátoru, jehož kmitočet je řízen napětím (VCO jak jsme již měli výše) a z fázového detektoru, jehož výstupem je napětí přivedené na vstup VCO pro řízení frekvence. Fázový detektor určuje v nejjednodušším případě rozdíl fáze mezi vstupním kmitočtem, s jehož frekvencí chceme synchronizovat kmitočet VCO, a výstupním signálem z VCO. Toto základní blokové schema je uvedeno na obrázku 6.6.
obr. 6.6.
V naší ”automobilové analogii” by funkci fázového detektoru zastávalo bystré oko řidiče vzadu jedoucího vozidla, výstupem tohoto fázového detektoru by byl úhel sešlápnutí plynového pedálu (musíme předpokládat, že otáčky motoru jsou úměrné tomuto úhlu) a vstupním kmitočtem otáčky motoru vozu jedoucího vpředu. Nejjednodušší případ, kdy vozidlo vpředu jede konstantní rychlostí, tedy vstupní kmitočet je konstantní, jsme si již vysvětlili, tedy bude-li vozidlo vzadu zachovávat konstantní rozdíl fáze vůči vozidlu jedoucímu vpředu, budou otáčky jeho motoru mít stejný kmitočet jako otáčky motoru vozu jedoucího vpředu. Představme si nyní, že otáčky motoru vozu jedoucího vpředu jsou ”kmitočtově modulované”, tj. vůz vpředu pro jednoduchost periodicky mění svoji rychlost. Důvodem k tomu (tedy modulačním signálem) je periodická změna úhlu stlačení plynového pedálu vozu jedoucího vpředu v závislosti na čase. Bude-li řidič vozu jedoucího vzadu dostatečně rychlý (tj. bude-li náš fázový detektor schopen zareagovat na změnu fázového rozdílu), bude periodicky ubírat a přidávat plyn tak, aby fázový rozdíl (tedy vzdálenost) mezi vozy zůstával(a) konstantní. V důsledku toho budou otáčky motoru vozu jedoucího vzadu vždy v synchronismu s otáčkami motoru vozu vpředu. Jako ”vedlejší efekt” jsme ale získali signál úhlu stlačení pedálu druhého vozu v závislosti na čase, tedy signál, kterým byla původní nosná frekvence kmitočtově modulována; zkonstruovali jsme demodulátor kmitočtově modulovaného signálu. Obdobným postupem demoduluje kmitočtově modulovaný signál skutečný fázový závěs; výstupem demodulovaného signálu je řídicí napětí VCO (to je analogické úhlu stlačení pedálu).
Nebudeme se zde zabývat konkrétním zapojením VCO nebo fázového detektoru fázového závěsu. Stačí si pamatovat princip funkce. K fázovému závěsu se ještě vrátíme při probírání rozhlasového přijímače.
