книги / Радиопередающие устройства
..pdfфильтр, напряжение на выходе которого было бы обратно пропор ционально частоте модулирующего напряжения на его входе. Схема фильтра приведена на рис. 7.6. Емкость конденсатора фильтра С и сопротивление резистора R выбираются так, чтобы на самой низкой частоте модуляции сопротивление резистора R было намного больше сопротивления конденсатора, т. е. чтобы выполнялось условие R ^ lJmC. При этом ток в цепочке RC не за висит от частоты и равен I R C = U B X / R . Такой метод осуществления частотной модуляции используется в радиовещательных и слу жебных передатчиках.
7.3. СХЕМЫ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Частотную модуляцию (ЧМ) осуществляют изменением радиочас тоты автогенератора, выполняющего роль задающего генератора, воздействуя на его колебательную систему модулирующим на пряжением. Различают два способа получения ЧМ: прямой и кос венный. Прямой способ частотной модуляции осуществляется с помощью частотного модулятора, косвенный — с помощью фазо вого модулятора.
Структурная схема передатчика с прямым методом осущест вления частотной модуляции приведена на рис. 7.7,а. Модулиру ющее напряжение в этом случае воздействует непосредственно на автогенератор, т. е. на первый каскад передатчика. Для того что бы частота автогенератора изменялась под действием напряже ния, к контуру автогенератора подключают реактивный элемент, индуктивность или емкость которого изменяется под действием напряжения модулирующей частоты. Таким реактивным элемен том могут быть реактивная лампа, транзистор, варикап, диод. А затем для получения требуемых значений девиации частоты и ра бочей частоты передатчика применяют несколько ступеней умно жения частоты. Промодулированные колебания усиливаются до заданного значения мощности.
Достоинство прямого метода — возможность получения зна чительной линейной девиации частоты. Но в этом случае невоз можно осуществить кварцевую стабилизацию средней частоты
Рис. 7.7. Структурная схема передатчика с прямым методом осуществления частотной модуляции
= / AZ2, где Ia= U a/{Zl+Z2). Отсюда Uc= U aZ2J (Zi+Z2). Под ставив значение Uc в формулу для Z3, получим
2 a = t/a (2 ,+ Z 2)/Sf/aZ2.
Примем Zi^>Z2. Тогда эквивалентное сопротивление лампы
Z3= Z\[Z2S.
Вместо Z\ и Z2 подключим реальные резистор R и конденсатор С. Если Zi=iR, a Z2=C, то
или
Za=jcoLa, где L9= R C /S .
Это означает, что реактивная лампа, включенная по схеме, при веденной на рис. 7.9,6, эквивалентна индуктивности La=R C /S.
Построим векторную диаграмму для токов и напряжений в этой схеме. Поскольку R ^ lf a C , то характер сопротивления де лителя будет активным и ток / д практически будет совпадать по фазе с напряжением Ua (рис. 7.9,д). Этот ток, проходя через ем
кость |
С, будет |
создавать |
на ней напряжение, отстающее от |
/д |
на 90° |
(Uс на |
рис. 7.9,6). |
Напряжение на емкости является |
на |
пряжением на сетке лампы. Анодный ток Iai совпадает с U0 по фазе. Таким образом, анодный ток 7ai отстает от напряжения i/» на 90°, что соответствует индуктивному сопротивлению цепи.
Если резистор |
и конденсатор поменять местами (рис. |
7.9,в) |
и выбрать X c ^ R , |
то эквивалентное сопротивление лампы |
будет |
емкостным: |
|
|
Za=Z ,/Z 2S = 1/j toC R S = l/j<oСа,
где Сэкв=С7?5.
Векторную диаграмму для этой схемы можно построить тем же метолом, что и для предыдущей схемы (рис. 7.9,г).
Из полученных выражений для L3KB и Сзкв видно, что значе ния их зависят от средней крутизны вольт-амперной характерис тики лампы S. Изменяя крутизну характеристики S, можно по
лучить изменение реактивного сопротивления ХСэ или ХЬъ. Это можно практически осуществить, изменяя напряжение на управ ляющей сетке по звуковому закону. Подключив такую реактив ную лампу к контуру автогенератора, получим изменение час тоты автогенератора по звуковому закону, т. е. частотную моду ляцию.
В качестве реактивных ламп для уменьшения паразитной амп литудной модуляции применяют пентоды с большим внутренним сопротивлением Ri и, следовательно, слабым влиянием анодного напряжения на анодный ток.
Схема частотной модуляции на реактивной лампе приведена на рис. 7.10. Модулирующее звуковое напряжение uQ вводится в цепь управляющей сетки пентода последовательно с постоян ным напряжением смещения Е с. При разговоре перед микрофо ном напряжение на управляющей сетке изменяется по звуковому закону, в результате чего изменяется реактивность лампы (эк вивалентная индуктивность или емкость). А поскольку лампа под ключена к контуру автогенератора, то частота генерируемых ко лебаний будет изменяться по звуковому закону, в результате чего и осуществляется частотная модуляция.
Недостатком схем частотной модуляции на реактивной лампе является низкая стабильность средней (несущей) частоты. По этому при высоких требованиях к стабильности частоты в частот- но-модулированных передатчиках применяют автоматическую под стройку частоты. Но это усложняет схему передатчика. Более про стой схемой стабилизации средней частоты при частотной мод\* ляции является двухтактная схема включения реактивных ламп.
Одна |
из них включается как |
емкость, а другая — как |
индуктив |
ность. |
При таком включении |
ламп дестабилизирующие |
факторы |
Рис. 7.10. Схема частотной модуля |
Рис. 7.11. Схема частотной модуля |
ции на реактивной лампе |
ции на транзисторе |
вызывают противоположно действующие изменения L3C3, кото рые взаимно компенсируются.
Схема ЧМ в транзисторном автогенераторе. Для осуществления частотной модуляции в транзисторных автогенераторах исполь зуется влияние тока коллектора на баланс фаз и частоту генера ции. Одна из таких схем приведена на рис. 7.11. Здесь на тран зисторе VT1 собран автогенератор по схеме с общей базой. Кол лекторным током транзистора VT1 управляют с помощью тран зистора VT2, на базу которого подается модулирующее напря жение UQ. Резистор R4 в цепи эмиттера VT2 создает глубокую обратную связь по току, что обеспечивает линейную зависимость
тока |
коллектора / к |
от |
модулирующего напряжения |
UQ. |
|
В |
автогенераторе |
колебательный контур |
состоит |
из индуктив |
|
ности |
LK и выходной |
емкости транзистора |
СКб. Обратная связь |
||
осуществляется через внутреннюю емкость Скз. Емкость Скз за висит от напряжения на коллекторе UK. Изменяя UK, можно по
лучить |
дополнительную модуляцию резонансной частоты конту |
||
ра и автогенератора. Это достигается |
включением резистора R K |
||
в цепь |
коллектора |
тока. Конденсатор |
Сб блокирует RK по радио |
частоте. |
При этом |
на резисторе создается падение напряжения |
|
IKRK, изменяющееся в такт с модулирующим напряжением. До полнительная модуляция уменьшает нелинейные искажения и уве личивает девиацию частоты.
Схема частотной модуляции на варикапе. В настоящее время для осуществления частотной модуляции используют полупро водниковые диоды, емкость которых нелинейно зависит от при ложенного напряжения. Такие диоды называются варикапами. Они имеют ряд важных достоинств: малые габариты, высокую доб ротность емкости (более 100 на частотах до 100 МГц), механи чески прочны, позволяют получить широкополосную частотную модуляцию с малыми нелинейными искажениями.
Варикап обладает емкостью двух типов: барьерной Сб и диф фузной Сд. Барьерная — это емкость закрытого р—л-перехода. Она определяется накоплением зарядов противоположного знака по обе стороны перехода и составляет несколько десятков — со тен пикофарад. Увеличение запирающего напряжения Е с расши ряет обедненный слой, в результате чего барьерная емкость умень шается. Это показано кривой Сб на рис. 7.12. Диффузная — это емкость открытого перехода. Она определяется избыточной кон центрацией неосновных носителей, инжектированных по одну сто рону перехода, и превышает барьерную емкость на несколько по рядков. Изменение Сд от напряжения показано кривой Сд на рис. 7.12.
Эквивалентная схема р—«-перехода приведена на рис. 7.13. Она отражает свойства варикапа и позволяет определить режим использования его для схем частотной модуляции. Сопротивле ние г„ отражает сопротивление материала полупроводника и его контактов. Сопротивление Re — это дифференциальное сопротив ление перехода (R6= d U fd I). В режиме прямого тока Re неве-
С,
Рис. 7.12. Вольт-фарадная характе |
Рис. 7.13. Эквивалентная схема р—л- |
ристика р-л-перехода варикапа |
перехода |
лико и сильно шунтирует емкость Сд, что исключает применение открытого перехода в качестве управляемой емкости. В режиме обратного напряжения дифференциальное сопротивление закры
того |
перехода R 6 = d U /d I06p характеризуется малым обратным то |
ком |
/ 0бр. В этом режиме 1#б составляет десятки мегом и не вли |
яет на работу варикапа на рабочих частотах. |
|
Схема транзисторного автогенератора, в котором осуществля |
|
ется |
частотная модуляция с помощью варикапа, приведена на |
рис. |
7.14. Автогенератор собран по емкостной трехточечной схеме, |
колебательная система которого образована элементами Cl, С2 и Ы . Частотная модуляция осуществляется варикапом Се, вклю-
.ченным в контур автогенератора последовательно. Напряжение смещения Е с подается на варикап через R4 и L4, модулирующее напряжение — через С4 и L4. Напряжение смещения подбирается так, чтобы р—n-переход все время находился в закрытом состоя
нии, |
т. |
е. чтобы выполнялось неравенство |
|2:с| ^ U O>-\-UQ. При |
||
этом |
максимальное значение обратного напряжения не должно |
||||
превышать пробивного напряжения |
\Ec\-\-U(a-\-UQ<.US . |
||||
В |
результате наличия |
в схеме нелинейного элемента — вари |
|||
капа — в |
автогенераторе |
возникают |
высшие |
гармонические сос- |
|
Рис. 7.14. Схема частотной модуля |
Рис. 7.15. Схема частотной модуля |
ции в транзисторном генераторе |
ции с встречным включением вари |
|
капов |
Рис. 7.16. |
Схема частотной модуляции в |
А |
«кварцевом |
автогенераторе |
h |
|
|
тавляющие 2®, 3® и т. д. Для уменьшения значения четных гар моник применяют встречное включение варикапов, как показано на рис. 7.15. Здесь напряжение радиочастоты к варикапам при ложено противофазно. Поэтому четные гармоники возникших ко лебаний взаимно компенсируются. Модулирующее напряжение к варикапам приложено параллельно, поэтому нелинейные иска жения при модуляции не уменьшаются.
Схема ЧМ в кварцевом автогенераторе. Модулируемый по ча стоте кварцевый автогенератор представляет собой довольно про стое устройство. В нем можно получить относительную девиацию частоты до 1 % и передавать модулирующие частоты до десятков килогерц при нелинейности модуляционной характеристики до 1 % с долговременной нестабильностью частоты 10” 6 и кратковремен ной нестабильностью 10-9. Схема транзисторного частотно-моду- лированного кварцевого автогенератора приведена на рис. 7.16. Здесь варикап включен последовательно с кварцем. Включение индуктивности L обеспечивает работу автогенератора на частоте последовательного резонанса кварца. На варикап подаются на пряжение смещения Е с и модулирующее напряжение U Q.
Контрольные вопросы
1.Что такое угловая модуляция?
2.Что такое частотная и фазовая модуляция?
3.Нарисуйте графики частотно-модулированных колебаний,
4.Что такое девиация частоты?
5.Напишите уравнение частотно-модулированных колебаний.
6.Какой ширины спектр частот при частотной модуляции и от чего он вависит?
7. |
Что такое |
узкополосная частотная |
модуляция? |
|
8. |
Что такое |
широкополосная частотная модуляция? |
|
|
9. Назовите |
особенности частотной модуляции и области |
ее применения. |
||
10. В чем заключаются преимущества |
частотной модуляции |
по сравнению |
||
самплитудной?
11.Нарисуйте графики фазово-модулированных колебаний.
12.Напишите уравнение фазово-модулированных колебаний.
13.В чем состоит отличие фазовой модуляции от частотной?
14.Назовите способы осуществления частотной модуляции.
15. |
Н ари суй те |
схем у |
частотн ой |
м одуляции |
на реакти вн ой |
л ам п е, |
|
16. |
Ч то так о е |
р еак ти вн ая л ам п а? |
|
|
|
||
17. |
Н ари суй те |
схем у |
частотн ой |
м одуляции |
с |
п ом ощ ью в ар и к ап а . П оясн и те |
|
ее р аб о ту . |
|
|
|
|
|
|
|
18. |
Н ари суй те |
схем у |
частотн ой |
м одуляции |
на |
тр ан зи сто р е и |
поясните прин |
цип ее |
р аб о ты . |
|
|
|
|
|
|
Г л а в а 8. И М П У ЛЬСН АЯ М О Д У Л ЯЦ И Я
8.1.АНАЛИЗ ИМПУЛЬСНЫХ КОЛЕБАНИИ
Врадиоустройствах гражданской авиации в импульсном режиме работают радиопередающие устройства радиолокационных, радио навигационных станций, радиорелейных и радиолиний связи и др.
На борту самолета устанавливают 10— 15 видов изделий радио электронного оборудования, обеспечивающих безопасность поле тов, связную радиостанцию УКВ диапазона, радиовысотомер, ответчик, системы навигации и др.
Электрическим импульсом называется кратковременное откло нение напряжения или тока от нуля или постоянного значения.
По форме импульсы бывают прямоугольные, пилообразные, сину соидальные, трапецеидальные и др. Различают видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы (рис. 8.1,а) получают при комму тации цепи постоянного тока. Радиоимпульсы (рис. 8.1,6) пред ставляют собой кратковременные посылки синусоидального налряжения или тока радиочастоты.
Основные параметры импульсов — амплитуда Um и длитель ность импульса т. Периодическая последовательность импульсов
характеризуется еще |
следующими параметрами: частотой следо |
|||||||
|
|
вания |
(повторения) |
|
импульсов |
|||
|
|
^1=1 /Тн |
(где |
Тп — период их сле |
||||
|
|
дования), |
длительностью |
паузы |
||||
|
|
между |
импульсами |
Т—т, |
фазой |
|||
|
|
ср — положением модулированных |
||||||
|
|
импульсов |
во |
времени |
относитель |
|||
|
|
но их положения при немодулиро- |
||||||
|
|
ванной последовательности. |
|
|||||
|
|
Для характеристики |
работы им |
|||||
|
|
пульсного |
генератора |
вводится по |
||||
|
|
нятие |
скважности и коэффициента |
|||||
|
|
заполнения. |
Скважностью |
назы |
||||
|
|
вается |
отношение |
длительности |
||||
|
|
паузы |
к |
длительности |
импульса |
|||
Рис. 8.1. Ви деоим пульсы |
(а) |
<7=77т; |
< 7 = (Г - т )т = (7 7 е - 1 ). |
При |
||||
и радиои м п ульсы (б) |
|
Г > т ? = Г/т. |
|
|
|
|
||
Коэффициент заполнения показывает, какую часть периода повторения составляет длительность импульса: &=т/7\
Для передачи информации обычно используют прямоугольные видеоимпульсы и радиоимпульсы. Идеальным импульсом в этом случае называют импульс, огибающая которого имеет форму пря моугольника (штриховая линия на рис. 8.2). Однако при прохож дении через электрические цепи из-за реактивных и нелинейных элементов в схеме форма импульса искажается. Реальный импульс (сплошная кривая на рис. 8.2) отличается от идеального по фор ме. В результате инерционности цепей передняя часть импульса — фронт — растягивается. Окончание импульса — срез — также рас тягивается.
Для анализа работы импульсных цепей и составления их схем пользуются методом спектрального анализа — представление пе риодической последовательности импульсов в виде спектра. Из вестно, что всякое периодическое несинусоидальное колебание по теореме Фурье можно представить в виде суммы бесконечного ряда гармонических и постоянной составляющих:
и(t) = U0/2 + U1 cos соi^ + U2 cos 2соt+ + Un cos п |
U\ sin co^+ |
+ U2sin 2(ot+ + Un sin n co^. |
|
Спектром колебания называют совокупность гармоник, состав ляющих несинусоидальное колебание. А графическое изображе ние спектра называют спектральной диаграммой. На спектраль ной диаграмме каждая гармоника изображается вертикальной линией, как показано на рис. 8.3. Различают амплитудные и фа зовые спектральные диаграммы. Амплитудная спектральная диаг рамма периодической последовательности прямоугольных импуль сов с периодом Т (рис. 8.3) приведена на рис. 8.3,6. Здесь на го ризонтальной оси в некотором масштабе отложены частоты гар-
ю
Рис.. 8.2. И деальн ы й и реальны й импульсы
Рис. 8.3. Спектральная диаграмма прямоугольных импульсов
моник, а но вертикальной оси представлены их амплитуды. Сле довательно, спектр прямоугольных импульсов — линейчатый.
Более эффективным импульсный метод работы радиоустройств оказывается при малой длительности импульсов — порядка долей и единиц микросекунды. В радиоустройствах используют импуль сы напряжения с амплитудами от долей микровольта до несколь ких киловольт и длительностями до долей наносекунд. Скваж ность импульсов бывает сотни и тысячи. Однако с уменьшением длительности импульсов расширяется спектр излучаемых антен ной передатчика колебаний.
Для качественного воспроизведения формы прямоугольного им пульса усилители приемника должны пропускать широкую полосу частот Д/=2/т. А это обусловливает возможность применения им пульсных радиоустройств только в диапазоне ультракоротких волн.
В радиорелейных системах связи с временным разделением ка налов и малым числом каналов (до 50) длительность прямо
угольных импульсов составляет 0,3... 0,5 мкс. Частота следования |
||||
импульсов 'У7,,= 10 кГц. Ширина спектра при этом Я = 1 ...20 МГц. |
||||
В радиолокационных системах длительность импульсов бывает от |
||||
0,1 до десятков и сотен микросекунд. Частота следования импуль |
||||
сов IF,! = 500 |
... 1000 Гц. Мощность в |
импульсе бывает 10 кВт... |
10 |
|
МВт. |
|
|
|
|
Спектр прямоугольного импульса можно считать неограничен |
||||
но широким Д /= 0 ... оо. Это наглядно можно показать следующим |
||||
образом. Плоскую вершину импульса можно представить как пос |
||||
тоянный ток (прямая 2—3 на рис. 8.2,6). Значит, усилитель дол |
||||
жен пропускать сигнал с частотой |
f, близкой к нулю. Крутой |
|||
фронт импульса (1—2 на |
рис. 8.2,6) |
можно представить как |
на |
|
чальную часть синусоиды |
(/—4 на |
рис. 8.2) с частотой, равной |
||
бесконечности. Следовательно, полоса усилителей должна быть от |
||||
нуля до бесконечности. Реально полоса усилителей ограничена, |
||||
что приводит к искажению усиливаемых сигналов. |
|
|||
Радиоимпульсы можно рассматривать как колебание высокой |
||||
яастоты /о, |
модулированное по амплитуде видеоимпульсами. По» |
|||
270