книги / Радиопередающие устройства
..pdfние между нижней и верхней боковыми полосами равно 2-2800,3= 5600,6 кГц. Относительный интервал частот (2-2800,3)/10000-100 = = 56%. Выделение одной боковой в этом случае легко осущест вить LC-фильтрами и последующими каскадами передатчика.
Таким образом, устройство формирования однополосного сиг нала является многокаскадным, большинство каскадов в нем с низ ким КПД. Поэтому формирование однополосного сигнала осуще ствляют в маломощных каскадах (доли ватта), часто объединяя их с возбудителем. Последующие каскады передатчика работают в режиме усиления мощности однополосного сигнала — напряжения с меняющейся амплитудой.
6.4. ФАЗОКОМПЕНСАЦИОННЫИ МЕТОД
Принцип формирования однополосного сигнала фазокомпенсаци онным способом основан на взаимной компенсации составляющих, которые надо подавить. Для этого сначала создается несколько амплитудно-модулированных колебаний с таким сдвигом по фазе, чтобы при суммировании несущих и подавляемых боковых они взаимно компенсировались, а выделяемые составляющие были бы в фазе и складывались. На рис. 6.6 приведена структурная схема формирователя одной боковой полосы фазокомпенсационным спо собом. Несущие и модулирующие колебания подаются на три амплитудных модулятора со сдвигами на 0, 120 и 240°. При этом происходит взаимная компенсация несущей и одной боковой. Для хорошего подавления ненужных составляющих необходимо равенство их амплитуд, коэффициентов модуляции и точность фа зирования.
Достоинство фазокомпенсационного метода — возможность сформировать однополосный сигнал непосредственно на рабочей частоте без последовательного преобразования спектра сигнала, а также отсутствие сложных дорогостоящих фильтров. Недоста ток этого метода проявляется в трудности создания фазовращате лей для низкочастотных модулирующих сигналов.
6.5. ПЕРЕДАТЧИКИ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Структурная схема передатчика с однополосной модуляцией при ведена на рис. 6.7 Колебания модулирующей звуковой частоты Q через входное устройство 8 подается на вход однополосного мо дулятора 1. В современных мощных передатчиках однополосные модуляторы выполняют по фильтровому методу. К модулятору подводятся также колебания поднесущих частот от синтезатора 3. На выходе синтезатора имеется несколько частот с высокой стабильностью частоты. Нестабильность частоты в них достигает 10~7 10-9. В синтезаторе создается также колебание, необходи мое для формирования пилот-сигнала. Это колебание через ат тенюатор подается на преобразователь частоты 2. Сформирован-
г
Рис. 6.7 Структурная схема передатчика с однополосной мо дуляцией
ный в модуляторе 1 однополосный сигнал поступает также на пре образователь частоты 2, а затем на фильтр 4, в котором подав ляются побочные продукты при преобразовании частоты. После этого однополосный сигнал на рабочей частоте подается на вход усилителя модулированных колебаний 5, который в зависимости от мощности может состоять из нескольких каскадов. Обычно пер вые два каскада выполняют в виде широкополосных ненастраи ваемых усилителей. А последние два каскада — резонансные уси лители. После усилителя 5 ставят фильтр 6, предназначенный для подавления излучения на гармониках, а также согласования соп ротивлений. Составляющие телевизионного диапазона подавля ются фильтром 7.
На выходе однополосного возбудителя получается очень ма лый сигнал — порядка 10 мВт. Поэтому линейный усилитель дол жен обеспечивать очень большое усиление. Кроме того, вольт-ам- перная характеристика усилительных элементов его должна быть линейной на всем протяжении, особенно в нижней части ее. Это связано с тем, что однополосный сигнал отличается от двухполос ного амплитудно-модулированного тем, что в отсутствие модули рующего сигнала (при молчании) однополосный сигнал уменьша ется до нуля. Для усиления однополосного колебания нижняя часть статической модуляционной характеристики должна быть линейной. Для этой цели выпускают специальные лампы (ГУ-69Б — ГУ-77Б).
В транзисторных усилителях промежуточных каскадов одно полосных передатчиков для обеспечения линейности амплитудной модуляционной характеристики транзисторы работают в недонапряженном режиме (в классе А). И только в оконечных и пред оконечных каскадах передатчиков для повышения КПД транзисто ры работают в режиме с отсечкой при 6 = 9 0 °
Для уменьшения нелинейности нижнего участка модуляцион ной характеристики подбирают начальное напряжение смещения. А для уменьшения влияния температуры применяют термокомпен сации.
Автосмещение также способствует повышению линейности мо дуляционной характеристики. Для уменьшения нелинейных иска жений применяют также и отрицательную обратную связь.
6.6. ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИИ В РАДИОСТАНЦИЯХ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Однополосная модуляция используется в бортовых радиостан циях «Микрон» (АЗА — телефонный режим с одной боковой по лосой и частично подавленной несущей частотой, АЗУ — телефон ный режим с одной боковой полосой и полностью подавленной не сущей частотой) и «Ядро-1» — АЗУ.
В режиме однополосной модуляции радиостанции работают с высокой стабильностью частоты: «Микрон» — ±0,5*10_6, «Ядро» — ±3 -10~7. Причем «Микрон» обеспечивает беспоисковую и бесподстроечную связь на 220 000 фиксированных частотах с разно сом 100 Гц.
Упрощенная структурная схема формирования однополосного сигнала в радиостанции «Микрон» приведена на рис. 6.8. Напря жение звуковой частоты от микрофона М после усиления в уси лителе звуковой частоты УЗЧ (на транзисторах 2Т312Б) подается на балансный модулятор, куда одновременно поступает напря жение частоты 400 кГц от датчика опорной частоты ДОЧ. В ба лансном модуляторе происходят преобразование низкочастотного сигнала в двухполосный и подавление несущей частоты 500 кГц. Затем двухполосный сигнал поступает на электромеханический фильтр ЭМФ, который подавляет верхнюю боковую полосу. Даль ше сигнал инвертируется в смесителе и на выход передатчика по ступает сигнал на верхней боковой частоте.
Контрольные вопросы
1.Что такое однополосная модуляция?
2.Назовите особенности однополосной модуляции.
3.Назовите способы формирования однополосного сигнала.
ын'0 (со+52)=О
2Т312Б |
со+ 52,со~52 |
со-52 |
со+52 |
Рис. 6.8. Упрощенная структурная схема формирования одно полосного сигнала в радиостанции «Микрон»
4. В чем состоит фильтровый способ формирования однополосного сиг нала?
5. В чем состоит фазокомпенсационный способ формирования однополос ного сигнала?
6. Нарисуйте структурную схему передатчика с однополосной модуляцией.
Г л а в а 7. ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
7.1. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Частотной модуляцией называется процесс изменения частоты не сущих колебаний по закону изменения амплитуды модулирующего сигнала.
Всякое периодическое колебание характеризуется амплитудой тока I, частотой © и фазой <р: t=/cos(©/-Hp)- Графически такое колебание можно представить вектором, длина которого соответ ствует амплитуде тока / и который вращается с угловой скоро стью © и за время t проходит угол ф= со/. На рис. 7.1 штриховой линией изображено положение вектора перед началом отсчета, когда фо=0. При чисто гармоническом колебании вектор I вра щается с постоянной скоростью <о. Угол, пройденный вектором от начала отсчета, называют фазой: <р=<оt. А скорость изменения фазы называют частотой. За некоторое время
i i
Ф= §d <р = Jco dt = ©Н- ф0.
оо
При частотной модуляции частота несущих колебаний изменя ется по закону ©'=©н-]-|Д©нС05 Ш.
Амплитуда отклонения частоты Д© называется девиацией.
Значение девиации пропорционально амплитуде модулирующе го напряжения, т. е. силе звука перед микрофоном.
Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты Q. Во время положительного полупериода модулирующее напряжение частоты несущего колебания получает положитель ное приращение +Д©, т. е. возрастает (рис. 7.2, точка 1—2). Во время отрицательного полупериода модулирующего напряжения частота несущих колебаний получает отрицательное приращение —Д©, т. е. уменьшается (точки 2—3 на рис. 7.2). На этом же ри сунке штриховой линией показан график несущих колебаний до мо дуляции. Здесь видно, что промодулированное по частоте коле бание во время положительного полупериода модулирующего на пряжения опережает по фазе колебание несущей частоты. Во вре мя отрицательного полупериода, наоборот, модулированное ко-
254
Рис. 7.2. Графики частотно-модулирован- ных колебаний
лебание отстает от несущего по фазе. Следовательно, частотная модуляция сопровождается фазовой. Амплитуда модулированно го по частоте колебания постоянна и не зависит от модулирующе го сигнала. На векторной диаграмме частотно-модулированное колебание изображается вектором, вращающимся с переменной угловой скоростью. Мгновенное значение фазы при этом изменяет ся по сложному закону.
Уравнение частотно-модулированного колебания. Для получе ния уравнения частотно-модулированного колебания воспользу
емся уравнением гармонического тока в общем виде i = I cosj соdt,
о
подставив в него значение изменяющейся частоты. Раньше было показано, что для тех случаев, когда частота колебаний постоян ная, уравнение тока принимает вид i= Ic o s сон^+Фо, где <ро — на чальная фаза или постоянная интегрирования. Но при частот ной модуляции частота не остается постоянной, а все время из меняется. Поэтому для получения уравнения тока при частотной модуляции нужно при интегрировании под знак интеграла под ставить значение изменяющейся частоты:
i = |
$ |
t |
I cos J*codt = |
/ cos J(coH+ Дсон cos Qt) dt. |
|
|
о |
о |
Проинтегрировав, получим |
||
i = |
/ cos ( G)Ht + |
sin Qt + фо^. |
При начальной фазе |
ф о=0 уравнение тока при частотной моду |
ляции будет |
|
i = /н cos ^ ©„ t + |
sin й / j . |
Отношение девиации частоты Д© к частоте модулирующего на пряжения й называется индексом модуляции и обозначается бук вой М =Л (он/й. Здесь видно, что при постоянной девиации Д© индекс модуляции обратно пропорционален частоте модуляции й.
Анализ частотно-модулированных колебаний. Из уравнения частотно-модулированного колебания
/= /co s(© H/+ M sinQf)
видно, что оно является сложным. Для анализа раскроем скобки и получим
t= /[co s ©гг/ cos(M sin й t) —sin ©и^ sin(Af sin й/)]-
Функции cos (Af sin Ш) и |
sin (.М sin Й/) являются сложными. Пос |
ле разложения их в ряд |
получаем следующее уравнение для то |
ка частотно-модулированного колебания при модуляции одним тоном частоты й:
i'= /[/0(M)cos ©H^ + / I (Л1)соз(©н+й)/—J\ (M)cos(©—й )*+
+ / 2 (М) cos (©н+ 2Й) ^+ / 2 (Af) C O S (©н—2Й) t +
Из этого уравнения видно, что спектр частотно-модулирован ного колебания содержит бесконечный ряд гармонических коле баний боковых частот, амплитуды которых являются функциями индекса модуляции. А разность частот между соседними состав ляющими спектра равна частоте модуляции й. Амплитуды боко вых колебаний быстро убывают с увеличением их частоты. Ско рость убывания амплитуд боковых составляющих зависит от ин декса модуляции. На практике при определении ширины спектра принято учитывать только боковые частоты, амплитуды которых составляют более 5% амплитуды несущего колебания в режиме молчания. При М < 1 спектр частотно-модулированного сигнала имеет ширину около 2йв, т. е. содержит только колебания пер вой пары боковых, как показано на рис. 7.3. Для такого колеба ния при A f< l
i = I cos ©„f+0,5 MI cos(© + fi)f—0,5 Af/cos(©—Й)/.
Знак минус перед слагаемым, соответствующим нижней боковой частоте, означает, что она сдвинута на 180° по отношению к то му положению, которое она занимает при амплитудной модуля ции. При полосе звуковых частот 300... 3000 Гц и индексе моду ляции М < 1 —2 полоса излучаемых антенной передатчика частот составляет 6 10 кГц. Оказывается, в таком случае передатчик с частотной модуляцией занимает полосу, как и при амплитудной. Такая частотная модуляция называется узкополосной. Недоста-
256
Помеха при VM
т 1Уродень
(1 ограничения
11-. J
Помеха при AM
Рис. 7.3. Спектр частотно-модулиро- |
Рис. 7.4. Подавление амплитудной по- |
ванного сигнала |
мехи ограничителем |
ток узкополосной модуляции — плохое качество воспроизведе ния сигнала. Поэтому она применяется только в служебной и мас совой радиосвязи. Но помехоустойчивость узкополосной частотной модуляции выше, чем амплитудной.
При увеличении индекса модуляции М спектр частот, занима емых передатчиком, значительно расширяется. Частотная моду ляция при индексе модуляции М > 1 называется широкополосной. Она применяется при высококачественном радиовещании и для звукового сопровождения телевизионных передач. Для этого ис пользуется полоса звуковых частот от 3 0 . . . 5 0 Гц до 1 0 . . . 15 кГц. Ширина спектра частот модулированных колебаний при широко полосной частотной модуляции оказывается примерно равной уд
военной амплитуде девиации частоты — 2 Д / „ аКс. Так, |
при девиа |
ции частоты Д / м а к с = 7 5 кГц реальная полоса частот, |
излучаемых |
антенной передатчика, составляет 1 5 0 кГц. К этой полосе добав ляется защитная, предназначенная для исключения помех между соседними передатчиками по несущей частоте по 2 5 кГц в каж дую сторону от несущей. Тогда ширина канала будет 7 5 + 7 5 + 2 5 + + 2 5 = 2 0 0 кГц. Это в несколько раз шире, чем при амплитудной модуляции. Следовательно, число передатчиков, которые можно разместить в заданном диапазоне частот, намного меньше, чем при амплитудной модуляции. Поэтому частотная модуляция при меняется только на УКВ.
При уменьшении частоты модуляции число спектральных сос тавляющих увеличивается, но ширина спектра модулированного колебания (особенно при не изменяется, т. е. спектр уплот няется (сгущается). Ширина спектра определяется только деви ацией частоты Д/макс, а следовательно, она прямо пропорциональ на амплитуде модулирующего колебания.
При частотной модуляции, в отличие от амплитудной, ампли туда несущего колебания в процессе модуляции не остается по стоянной, как при амплитудной, а изменяется. При некоторых ин дексах модуляции М составляющая спектра с несущей частотой в частотно-модулированном сигнале может совсем отсутствовать. Поэтому частоту, называемую при амплитудной модуляции несу щей, при частотной модуляции называют средней (центральной) частотой.
Особенности частотной модуляции. Основные особенности ча стотной модуляции — это постоянство амплитуды модулирован ных колебаний и широкий спектр частот. Эти особенности опре деляют ряд важных преимуществ частотной модуляции по сравне нию с амплитудной. Основные из них: 1) высокая помехоустой чивость; 2) лучшие энергетические показатели; 3) более полное использование электронных приборов; 4) лучшее качество пере дачи.
Рассмотрим эти преимущества.
1. В месте приема полезного сигнала уровень помех может оказаться выше уровня сигнала. При этом на входе приемника амплитуда помехи окажется больше амплитуды сигнала, как по казано на рис. 7.4. При амплитудной модуляции избавиться от такой амплитудной помехи оказывается невозможно, а при час тотной модуляции она легко устраняется с помощью ограничите ля амплитуды в приемнике. Кроме того, помехи, складываясь с принимаемым сигналом, вызывают еще и изменение частоты сиг нала, т. е. приводят к появлению паразитной частотной модуля ции. В этом случае действие помехи ослабляется выбором индек са модуляции л/2 без повышения мощности передатчика. По мехоустойчивость устройств с частотной модуляцией прямо про порциональна индексу модуляции М. Но следует учитывать, что с увеличением индекса модуляции полоса излучаемых частот рас ширяется.
2. Амплитуда тока в антенне при частотной модуляции, а сле довательно, и колебательная мощность — постоянны. Модулиру емый каскад можно поставить в критический или слабоперенапряженный режим с высоким КПД. В процессе модуляции режим работы каскада не изменяется, и он будет все время работать высоким КПД. Следовательно, энергетические показатели ЧМ вы ше, чем AM.
Для сравнения напомним, что при амплитудной модуляции мгновенный режим в процессе модуляции изменяется, проходя че рез точки минимального, несущего и максимального режимов.
3. Постоянство амплитуды при частотной модуляции обеспе чивает возможность использовать электронные приборы на пол ную номинальную мощность. При амплитудной модуляции элек тронный прибор надо выбирать на мощность в 4 раза больше при сеточной модуляции и в 2 раза больше при анодной модуляции, так как амплитуда несущей больше, чем боковых составляющих.
При частотной модуляции в режиме молчания вся мощность
258
электронного прибора затрачивается на излучение несущего ко лебания. В процессе модуляции происходит перераспределение энергии между несущей (средней) частотой и боковыми состав ляющими. Мощность несущей уменьшается, а боковых — возра стает с увеличением индекса модуляции.
4. В связи с большой шириной спектра частот частотная моду ляция используется в диапазоне УКВ, где можно разместить боль шое число одновременно работающих радиостанций. Это дает возможность передавать более широкий спектр модулирующих частот. Этим обеспечивается высокое качество художественных и музыкальных передач. С учетом высокой помехоустойчивости все это дает высокое качество передач на УКВ с ЧМ в целом.
7.2. ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Фазовой модуляцией называется процесс изменения мгновенного значения фазы радиочастотного колебания по закону изменения амплитуды передаваемого сигнала. Для простоты анализа рас смотрим модуляцию гармоническим колебанием одной частоты Q, изменяющейся по закону косинуса, т. е. tiQ = UacosQt. При фа зовой модуляции изменяется текущая фаза ф, а амплитуда радио частотного колебания остается постоянной. За бесконечно малое
время dt фаза dy = mdt. За конечное |
время |
t фаза ф = |
( ^ф = |
= j йк//=юН-'фо, где ф0 — начальная |
фаза, |
определяемая |
выбо- |
6 ром начала отсчета времени. При фазовой модуляции полная фа
за (о^+фо изменяется, т. с. получает приращение, изменяющееся по закону косинуса:
Ф = (о)/+ф) + Дф cos S3/.
Тогда уравнение модулированного по фазе тока принимает следующий вид:
/=/cos(co/-Hp0+ Дф cos Qt). Приняв фо=0, получим
t= 7 соз((о£+Аф cos Qt),
где Дф — величина, характеризующая максимальное отклонение полной фазы колебания от ее значения до модуляции.
Максимальная девиация фазы при фазовой модуляции Дф называется индексом фазовой модуляции (Дф пропорционален амплитуде модулирующего напряжения UQ и не зависит от его частоты). График фазомодулироваиного колебания приведен на рнс. 7.5, из которого видно, что во время положительного полупериода модулирующего напряжения фазомодулированное коле бание опережает по фазе колебание несущей частоты. При этом период колебания радиочастоты уменьшается, а частота возра стает. В отрицательный полупериод модулирующего напряжения
9* |
259 |
фазомодулированное колебание отстает по фазе от колебания средней (несущей) частоты. Период его увеличивается, а частота уменьшается.
Таким образом, фазовая модуляция сопровождается частотной.
Изменение частоты при фазовой модуляции можно выразить сле дующим образом:
o) = d ( p / d t = ( j ) n + A i p Q |
sin £2/. |
Здесь произведение |
Аф£2 является девиацией частоты при фа |
зовой модуляции. Значение девиации частоты при фазовой моду ляции прямо пропорционально амплитуде моулирующего напря жения U Q и его частоте Q.
Поскольку и при частотной, и при фазовой модуляции происхо дит изменение фазового угла, то каждую из них называют угло вой модуляцией.
Сравнивая уравнение для тока в антенне при фазовой моду ляции с таким же уравнением для тока при частотной модуля ции, видим, что при модуляции одним тоном частотная и фазовая модуляции оказываются одинаковыми и различить их невозможно.
Однако при модуляции спектром частот, например при раз говоре, частотная и фазовая модуляции существенно отличаются. Это различие в том, что при частотной модуляции приращение частоты радиочастотных колебаний пропорционально только ам плитуде модулирующего колебания (силе звука) A(I) = KUQ и нс зависит от частоты модуляции. А при фазовой модуляции при
ращение частоты До |
пропорционально не |
только амплитуде, но |
|
и частоте модулирующего напряжения U Q , т . е. A<n=Aq>Q = |
KUQQ |
||
Поэтому при приеме |
фазомодулированных |
колебаний на |
при |
емник с частотным детектором более высокие частоты передава емого звука будут воспроизведены с большей громкостью, чем
|
более низкие. И передача будет |
|||
|
искажена. |
|
|
|
|
ние |
Фазомодулированное |
колеба |
|
|
можно |
легко преобразован) |
||
|
в частотно-модулированное с по |
|||
|
мощью интегрирующего |
фильтра |
||
|
RC, который ставится в тракте |
|||
|
модулирующей частоты. Посколь- |
|||
t |
ку |
при |
фазовой модуляции |
|
Дсо = Дф£2, то необходим таком
F
Г
Рис. 7.5. График фазово-модулиро- |
Рис. 7.6. Схема интегрирующего филы- |
ванных колебаний |
Ра № |