Раздел 3. Модулируемые генераторы

Лекция 24

Общие положения амплитудной модуляции (АМ). АМ смещением: принцип, схема, статические и динамические модуляционные характеристики. Энергетические и качественные показатели. Основы инженерного расчёта генераторов с АМ смещением. Схемы модуляторов.

В лекциях предыдущих разделов мы рассмотрели вопросы получения высокочастотных электрических колебаний, имеющих неизменную амплитуду и частоту. Такие колебания не содержат информацию о передаваемом сообщении. Если информационным сигналом оказать воздействие на один или несколько параметров высокочастотного сигнала, то информационный сигнал окажется закодированным в получаемом высокочастотном сигнале, параметры которого, например, амплитуда и/или частота, не будут постоянными, а будут претерпевать соответствующие изменения по закону информационного сигнала. Процесс управления одним или несколькими параметрами высокочастотного сигнала информационным сигналом называется модуляцией. Информационный сигнал при этом носит название модулирующего сигнала (он же управляющий сигнал, см. рис. В.1). Модулирующий сигнал, как правило, является сложным сигналом: уровень (величина) сигнала может изменяться, в том числе на относительно коротком промежутке времени, спектр сигнала может содержать большое число гармонических составляющих разного уровня. Примерами модулирующих (информационных) сигналов являются речевой сигнал, музыкальный сигнал, сигнал изображения в телевидении и др. Все информационные сигналы, как и вообще все практически используемые сигналы в радиотехнике и электросвязи, имеют ограниченный энергетический спектр, что позволяет рассматривать любой сложный сигнал как совокупность ограниченного, хотя в отдельных случаях и довольно большого, числа гармонических сигналов со своей амплитудой и частотой. Поэтому принято рассматривать вопросы модуляции применительно к однотональному информационному сигналу, то есть гармоническому сигналу, имеющему неизменную частоту Ω и постоянную амплитуду. Получаемые при этом результаты носят общий характер и легко обобщаются на случай сложного сигнала. При любых способах модуляции для передачи информационного сигнала с минимальными искажениями требуется, чтобы самая высокая частота в спектре модулирующего (информационного) сигнала Ω _МАКС была много меньше частоты управляемого (модулируемого) высокочастотного сигнала ω, то есть должно быть Ω _МАКС << ω.

Общие положения амплитудной модуляции (АМ)

При амплитудной модуляции (АМ) модулирующий сигнал, являющийся гармоническим колебанием относительно низкой частоты Ω, воздействует на амплитуду колебания высокой частоты ω.¹ В общих чертах процесс АМ, например, амплитуды выходного тока АЭ ГВВ заключается в следующем. Информационный сигнал, преобразованный в электрическую форму (например, речевой сигнал с выхода микрофона), доводится до определённого уровня в так называемом модуляционном устройстве, в общем случае представляющем многокаскадный усилитель низких частот. С выходного каскада модуляционного устройства, называемого модулятором, сигнал, обычно в форме напряжения, подаётся в цепь питания соответствующего электрода АЭ ГВВ. Изменение напряжения питания электрода АЭ ГВВ обусловливает изменение амплитуды выходного тока АЭ, то есть имеет место модуляция выходного тока АЭ, например, анодного тока лампы, коллекторного тока транзистора. Изменение выходного тока АЭ ГВВ обусловливает, в свою очередь, изменение (модуляцию) выходного колебательного напряжения. ГВВ, в котором осуществляется модуляция, называется модулируемым генератором.²

В настоящей и последующих лекциях мы рассмотрим как осуществляется АМ в высокочастотных ГВВ, каков должен быть режим АЭ (лампы или транзистора) в той или иной системе АМ, каковы соображения по выбору АЭ для ГВВ с АМ и некоторые другие вопросы.

При отсутствии модуляции, то есть при отсутствии модулирующего сигнала в цепях модулируемого ГВВ, режим генератора называется режимом несущей частоты, или режимом молчания, или телефонным режимом.³

Итак, ниже мы будем полагать модулирующий сигнал в форме напряжения и имеющим вид

где - амплитуда модулирующего сигнала; - начальная фаза модулирующего сигнала; t - текущее время.

Высокочастотный сигнал примем, например, в форме первой гармоники анодного тока

(*)

где - амплитуда первой гармоники анодного тока, она же в режиме несущей частоты (в режиме молчания, в телефонном режиме); - начальная фаза высокочастотного сигнала.

Под воздействием модулирующего сигнала происходит изменение амплитуды высокочастотного сигнала по закону

(24.1)

где k – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность проводимости (См или
1/Ом); - коэффициент модуляции, характеризующий относительное изменение амплитуды высокочастотного сигнала или глубину модуляции (для неискажённой модуляции 0 ≤ m ≤ 1).

Подставляя (24.1) в (*), получаем для амплитудно-модулированной первой гармоники анодного тока (аналогично для первой гармоники коллекторного тока)

(24.2)

Колебание, описываемое (24.2), не является гармоническим, так как, в отличие, например, от (*), амплитуда его не остаётся постоянной, а изменяется по закону (24.1).

Если ω >> Ω, то в течение нескольких периодов высокочастотного колебания
T = 1/f = 2π/ω амплитуду его можно считать практически неизменной (такое колебание называется квазигармоническим). В соответствии с этим на основании (24.2) можно записать выражения для максимальной и минимальной амплитуд тока высокой частоты:

(24.3)

откуда

(24.4)

Графическое изображение АМ колебания (24.2) представлено на рис.24.1,а. При этом огибающая модулированного колебания воспроизводит форму напряжения низкой (модулирующей) частоты (рис.24.1,б)⁴ и расположена симметрично относительно тока в режиме несущей частоты I_A1Н .

При осуществлении АМ в генераторе должны быть приняты все меры к тому, чтобы модуляция была симметричной и линейной, то есть чтобы как можно точнее реализовывалось выражение (24.2). В противном случае при декодировании (демодуляции) будет получен информационный сигнал с искажениями, то есть отличный от первичного (модулирующего) сигнала. Например, при больших искажениях при приёме речевого сигнала голос окажется неузнаваемым и даже неразборчивым.

АМ колебание (24.2) является сложным по своему спектральному составу и может быть представлено в виде трёх гармонических колебаний, описываемых каждое подобным (*) выражением. Действительно, раскрывая в (24.2) прямоугольные скобки и используя преобразование произведения косинусов двух углов, получаем

(24.5)

В дальнейшем для сокращения записи, что никак не отразится на получаемых ниже результатах и выводах, примем начальные фазы обоих сигналов (высокочастотного и низкочастотного) равными нулю. Выражение (24.5) потребуется нам в дальнейшем при рассмотрении однополосной модуляции (ОМ), в частности при формировании однополосного сигнала с использованием метода многофазной модуляции.

Согласно символическому методу анализа цепей переменного тока любое гармоническое напряжение или ток можно представить в виде вектора. Следовательно, АМ колебание, описываемое (24.5), можно представить в виде совокупности трёх векторов, как показано, например, на рис.24.2,а.⁵ Первое слагаемое в (24.5) соответствует немодулированному высокочастотному сигналу (*). Два других слагаемых обязаны модуляции (если коэффициент модуляции m = 0, то есть модулирующий сигнал отсутствует, то этих слагаемых не будет). Как видно, амплитуды этих колебаний одинаковы и равны , а частоты разные: у одного частота больше частоты высокочастотного сигнала на величину частоты модулирующего сигнала и равна (ω + Ω), а у другого – меньше и равна (ω – Ω).

На рис.24.2,б представлена спектральная диаграмма АМ колебания (24.5), из которой наглядно видно, что полоса частот, занимаемая АМ колебанием при однотональной модуляции, равна удвоенному значению частоты модулирующего сигнала. Колебание с амплитудой I_A1Н и частотой ω называется несущим колебанием.⁶ Соответственно частота высокочастотного сигнала ω называется несущей частотой, а амплитуда этого колебания I_A1Н носит название амплитуды несущего колебания (или амплитуды колебания несущей частоты). Колебания с амплитудами и частотами (ω ± Ω) называются боковыми колебаниями (или колебаниями боковых частот). Соответственно верхним боковым колебанием с частотой (ω + Ω), и нижним боковым колебанием с частотой (ω – Ω) с соответствующей амплитудой.

Если модулирующий сигнал сложный, причём спектр его заключён в пределах от F_МИН до F_МАКС, то каждая составляющая спектра осуществляет АМ со своим коэффициентом модуляции m и обусловливает появление соответствующих боковых частот, которые образуют боковые полосы, соответственно верхнюю (ВБП) и нижнюю (НБП), как показано на рис.24.2,в. Очевидно, полоса частот, занимаемая АМ колебанием при модуляции сложным сигналом, равна 2 F_МАКС (или 2Ω_МАКС).

При отсутствии модуляции, то есть при молчании у микрофона, колебательная мощность генератора неизменна и равна