Задача выделения закона изменения частоты из принимаемого сигнала встречается очень часто. Эта задача встречается как при приеме сигналов с аналоговыми методами частотной модуляции, так и при приеме сигналов с цифровыми методами модуляции, такими как FFSK или GMSK. Мы даже не задумываемся, слушая FM-радиостанции в салоне автомобиля или на природе, что в портативном или автомобильном радиоприемнике звук выделяется из радиосигнала при помощи частотного детектора. Набирая номер по сотовому телефону, мы тоже используем данное устройство. Поэтому в настоящее время любой специалист, который ищет работу по специальности, связанной с радио должен представлять принципы работы частотного демодулятора.
В данной статье не будут рассматриваться такие музейные раритеты как детектор отношений или дробный детектор. Сейчас частотные детекторы строятся на основе аналоговых умножителей частоты. Сигнал с частотной модуляцией синусоидальным низкочастотным модулирующим сигналом описывается следующим математическим выражением:
Прежде чем перейти к конкретным схемам частотных детекторов обратимся к математическому определению понятия частоты:
Из этой формулы видно, что частота и фаза входного колебания жестко связаны друг с другом операцией дифференцирования (интегрирования). Для детектирования частотно-модулированных колебаний можно применить схему фазового детектора, а затем продифференцировать выходное напряжение на дифференцирующей RC-цепочке.
Структурная схема частотно-фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема частотно-фазового детектора
В данной схеме узкополосный контур производит преобразование частотно-модулированного колебания в фазо-модулированное колебание за счет фазо-частотной характеристики узкополосного контура. Воспользовавшись рассмотренной нами раньше принципиальной схемой аналогового умножителя сигналов, получим принципиальную схему частотного детектора.
Рисунок 2. Принципиальная схема частотно-фазового детектора
Подобные схемы фазовых детекторов широко используются в технических решениях радиоприемных устройств. В качестве примера на рисунке 3 приведена схема частотно-фазового детектора, реализованного на отечественной микросхеме 174УР3.
Рисунок 3. Частотно-фазовый детектор на микросхеме 174УР3
В настоящее время на подобном принципе работает большинство микросхем однокристальных ЧМ приемников. В качестве примера можно назвать микросхемы К174ХА26, MC3361, MC3371, SA616. Эти же микросхемы могут применяться и в составе более качественной аппаратуры при условии реализации первых усилительных каскадов приемника на более высококачественной элементной базе. Пример применения микросхемы SA616 в качестве тракта второй промежуточной частоты радиостанции был рассмотрен нами в статье УПЧ ЧМ
В ряде случаев для частотного детектирования применяется схема фазовой автоподстройки частоты. Она позволяет при малых затратах получить высокие качественные параметры частотного детектора в целом. Структурная схема подобного детектора приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема частотного детектора реализованного на ФАПЧ
В данной схеме генератор подстраивается под частоту входного сигнала. На выходе фазового детектора вырабатывается сигнал ошибки подстройки частоты. Этот сигнал пропорционален девиации частоты входного частотно-модулированного сигнала. Фильтр низких частот определяет полосу захвата цепи ФАПЧ.
