Chyba użycie terminu "detektor" jest tu niepoprawne, demodulator to już owszem.
Ogólnie działa to tak, jak odbiornik superheterodynowy. Sygnał "radiowy" mieszany jest z sygnałem heterodyny (mieszanie = mnożenie), i teraz iloczyn sinusów o dwóch częstotliwościach daje w efekcie dwa sinusy, jeden o częstotliwości równej sumie, a drugi różnicy częstotliwości sygnałów wejściowych, (najczęściej) ten o wyższej się tłumi za pomocą filtru dolnoprzepustowego. W efekcie otrzymujemy sygnał o częstotliwości przesuniętej w dół o częstotliwość heterodyny.
Stąd bierze się dokładność:
600,000001MHz zmieszane z 600MHz da 1Hz
600,000002MHz zmieszane z 600MHz da 2Hz
Z różnicy 1,6ppb zrobiła się różnica 100% (albo 50%, zależy jak na to spojrzeć)
Demodulacja kwadraturowa działa w podobny sposób, ale wprowadza dodatkowy koncept "ujemnej częstotliwości".
Zacznę może od tego, co by było, gdyby...
Suma sygnałów 80MHz + 100MHz, do tego heterodyna 90MHz, podajemy to na odpowiednie wrota wejściowe mieszacza, dostajemy dwie sumy i dwie różnice, 80+90, 80-90 (90-80), 100+90 i 100-90 (90-100), z sumami nie ma problemu, 170 i 190MHz wytłumimy filtrem dolnoprzepustowym.
100-90MHz - ok, nie ma problemu daje 10MHz, bez wątpienia.
Ujemna częstotliwość (-10MHz), to już trochę nie bardzo. W takim odbiorniku pojawi się ona na wyjściu jako 10MHz, czyli w efekcie dostaniemy po prostu 10MHz o amplitudzie zależnej od faz sygnałów wejściowych, nie jesteśmy w stanie odróżnić jednego od drugiego. Nazywa się to częstotliwościami lustrzanymi, odbiorniki radiowe UKF mają na tę okoliczność filtr na wejściu, przestrajany współbieżnie z heterodyną. Trochę sprawę uprościłem (bo w zasadzie to 80-90, 90-80, 100-90, czy 90-100?), ale to akurat nie ma znaczenia, jeżeli chodzi o samą ideę.
Demodulacja kwadraturowa pozwala na rozróżnienie, czy sygnał wejściowy był powyżej, czy poniżej częstotliwości heterodyny.
Można to sobie wyobrazić tak, że dla zwykłego radioodbiornika za mieszaczem dostajemy sinus, gdy osią odciętych jest czas, a osią rzędnych napięcie z wyjścia mieszacza.
Nie mogłem niestety spreparować ładnych wykresów, ale rzecz sprowadza się do tego, że dla sinusa o częstotliwości większej od częstotliwości generatora w demodulatorze kwadraturowym na wyjściach dostaniemy dwa sinusy przesunięte w fazie o 90 stopni, albo lepiej cosinus i +/- sinus.
Teraz zamiast dwóch wykresów jak wyżej, dla każdego z wyjść demodulatora złożymy je w jeden:
Czas mamy poziomo, powiedzmy w prawo.
Jedną oś, niech będzie I (In phase) mamy pionowo i dorzucamy kolejną oś, prostopadłą do pozostałych (poziomo w głąb wyimaginowanej tablicy ;]) i na niej będziemy oznaczać napięcie z drugiego wyjścia demodulatora (Q - Quadrature).
Otrzymujemy w efekcie wykres trójwymiarowy - zależność napięcia na wyjściach I i Q od czasu.
No i teraz sedno sprawy, dla sinusoidy o częstotliwości większej od częstotliwości heterodyny będzie to śruba lewoskrętna - fazor sygnału wejściowego wiruje szybciej niż fazor sygnału heterodyny, to co obserwujemy to różnica, czyli szybkość wirowania fazora jest związana bezpośrednio z różnicą częstotliwości.
Dla sinusoidy o częstotliwości mniejszej o częstotliwości heterodyny będzie to śruba prawoskrętna, fazor sygnału wejściowego wiruje wolniej niż fazor heterodyny. Faza sygnału wejściowego jest opóźniona względem sygnału heterodyny i opóźnienie to widzimy w postaci różnicy położenia fazorów, czyli tego co na wyjściu mieszacza.
Mnożąc przez siebie dwa fazory (sygnał wejściowy i heterodyna) dostajemy na wyjściu iloczyn amplitud i sumę faz.
Obrazek: Na górze fazor o pulsacji ω, w środku fazor o pulsacji -ω, na dole suma. Niestety nie za bardzo widzę możliwość zrobienia z tego wykresów 3D, w każdym razie powstały by dwie spirale jedna lewo- a druga prawoskrętna, które po nałożeniu dały by sinusoidę o dwukrotnie większej amplitudzie, jeżeli między sygnałami będzie jakieś przesunięcie fazowe, to sinusoida obraca się wokół osi czasu.
To co dostajemy na wyjściu mieszacza zwykłego odbiornika z przykładu wyżej było by wtedy częścią rzeczywistą tej sumy, czyli w zależności od przesunięcia fazowego między sygnałami wejściowymi, amplituda sygnały na wyjściu zmieniała by się od 0 do iloczynu amplitud sygnałów wejściowych razy dwa. Mało użyteczne.
W wypadku demodulacji kwadraturowej od razu widzimy obie częstotliwości, bo mamy informację zarówno o części rzeczywistej, jak i urojonej.
Wszystko to oczywiście jest jeszcze trochę uproszczone, bo jak już operujemy na fazorach, to pamiętać należy, że rzeczywiste sinusy i cosinusy to suma dwóch fazorów. Może i to trochę pogmatwane, bo to tak, jakby to co opisałem wyżej zastosować jeszcze raz do samego siebie, tak że trochę od drugiej strony podszedłem (na wejściu są fazory od razu, a nie sinusy i cosinusy), idea zostaje zachowana, ale idea zostaje zachowana, bo to się potem z punktu widzenia matematyki ładnie upraszcza.
Trochę o tym pisałem też tutaj:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic822821.html
Po takiej demodulacji wysokie częstotliwości się tłumi. Filtry analogowe działają również dla częstotliwości "ujemnych". Tak na prawdę, to po prostu jeden filtr w kanale I i jeden w kanale Q, czyli oba pracujące z sygnałami rzeczywistymi, zresztą w poście z linka to widać. Ważne jest, żeby charakterystyki filtrów były jak najbardziej zbliżone do siebie.
Dalej takie dwa odfiltrowane sygnały próbkuje się - dwie sztuki przetwornika, albo jeden z podwójnym układem sample & hold, a potem obrabia cyfrowo.
Obróbka cyfrowa w najprostszym wypadku oznacza wstawienie kolejnych próbek do tablic, jednej dla I (rzeczywiste) i jednaj dla Q (urojone) i policzenia z tego zespolonej transformaty Fouriera. W wyniku dostaniemy widmo dla dodatnich i ujemnych częstotliwości, czyli odpowiednio większych i mniejszych od częstotliwości heterodyny.
A dlaczego w ogóle tak?
1. Arcyważne: Częstotliwość pośrednia, a zarazem końcowa (baseband po angielsku, a po polsku to nie wiem, czy się tłumaczy jakoś) leży w okolicy 0Hz - nie trzeba stosować drogich / kłopotliwych filtrów p.cz., można to zrobić nawet na filtrach aktywnych na wzmacniaczach operacyjnych.
2. Czasem ważne: Szerokość pasma można w banalnie prosty sposób dostosować do potrzeb, nawet "w locie", na przykład stosując filtry cyfrowe, albo jeszcze na etapie "analogowym" za pomocą filtrów z przełączanymi pojemnościami.
3. Przydatne: Brak częstotliwości lustrzanych - odpada stosowanie cudacznych przestrajanych filtrów jeżeli planuje się przestrajanie w szerszym zakresie. To co było do tej pory częstotliwościami lustrzanymi teraz możemy rozróżnić bez problemu.
4. Też ważne: Tanie. Jeżeli sygnał będzie dalej przetwarzany cyfrowo, to może się okazać, że zastosowanie demodulacji kwadraturowej da układ tańszy / o większych możliwościach niż zwykła demodulacja.
5. Niektóre rodzaje modulacji łatwiej zdemodulować, szczególnie te, które mają w nazwie "Q" na początku.
6. Szczegół: Częstotliwość heterodyny = częstotliwość środka pasma.
7. Nie wiem co jeszcze. "Przyszłość", "fajne", "wszyscy teraz tak robią" ;]
Fyszo napisał: Parę informacji bym potrzebował, bo zastanawiamy się nad wpływem zakłóceń na instalacje automatyki i sieci które u nas biegną w pobliżu. A urządzenia jeszcze nie ma (ale ma być).
Raczej niewielki, solidna obudowa z "antymagnetycznej" nierdzewnej stali. Ze względu na stabilność pola elektromagnesu nadprzewodnikowego musi być dobrze izolowany od czynników zewnętrznych, co oczywiście działa również w drugą stronę.