Лекция 24 (лекции по УГФС), страница 2

(24.6)

где R_oe – эквивалентное сопротивление анодной (коллекторной) нагрузки.

Определяемая (24.6) мощность носит название колебательной мощности в режиме несущей частоты, она же мощность в режиме молчания, а также мощность телефонного режима.

В моменты времени, когда cos Ωt ≈ 1 соответственно амплитуда тока имеет максимальное значение, мощность колебания высокой (несущей) частоты достигает максимального значения и равна, учитывая (24.3),

(24.7)

Определяемая (24.7) мощность носит название мощности максимального режима или максимальной мощности. Выражение (24.7) имеет большое значение для характеристики энергетических соотношений при АМ. Из него следует, что при 100% модуляции
(m = 1) мощность максимального режима, то есть максимальная мощность, развиваемая АЭ генератора, равна учетверённой мощности в режиме несущей частоты:

В моменты времени, когда cos Ωt ≈ –1 соответственно амплитуда тока имеет минимальное значение, мощность высокочастотного колебания достигает минимального значения и, учитывая (24.3), равна

(24.8)

Определяемая (24.8) мощность носит название минимальной мощности или мощности минимального режима. При 100% модуляции (m = 1) P_~МИН = 0.

Как видим, в процессе модуляции мощность высокочастотного колебания изменяется в пределах от P_~МИН до P_~МАКС. Соответственно в произвольный момент времени t мощность высокочастотного колебания (колебательная мощность)

Среднее значение колебательной мощности за период модулирующего сигнала T_Ω

(24.9)

Выражение (24.9) показывает распределение мощности между составляющими спектра АМ колебания и может быть также получено на основании (24.5), если просуммировать мощности, выделяемые каждой спектральной составляющей на сопротивлении R_oe.

Действительно, полагая, что для каждой составляющей спектра АМ колебания сопротивление нагрузки – контура в выходной цепи АЭ одинаково и равно R_oe, получаем для мощности несущего колебания (первое слагаемое в правой части (24.5))

для мощности колебания одной боковой частоты (любое из двух последних слагаемых в правой части (24.5))

Так как боковых колебаний два – верхнее и нижнее, то мощность двух боковых колебаний

Соответственно, что соответствует (24.9).

Таким образом, слагаемое в (24.9) определяет мощность боковых частот АМ колебания. При модуляции сложным сигналом подобным соотношением определяется мощность боковых полос.

Мощность боковых частот зависит от коэффициента модуляции m и при m = 1 составляет 50% от P_~Н и 12,5% от P_~МАКС. В радиовещательных передатчиках среднестатистическое значение m находится в пределах 0,3…0,5. Это означает, что доля мощности боковых полос в общей мощности модулированного колебания очень незначительна. Между тем, с точки зрения приёма именно значение мощности боковых полос представляет наибольший интерес. Малая величина мощности боковых полос по сравнению с мощностью в режиме несущей и особенно по сравнению с максимальной мощностью является характерной особенностью систем с АМ.

Осуществление АМ в реальных устройствах всегда сопровождается различного рода искажениями, из которых главными при передаче, например, звуковых программ и телефонных сообщений принято считать частотные и нелинейные искажения.⁷ Оценка качества АМ возможна на основе модуляционных характеристик, которые подразделяются на статические и динамические, причём среди последних выделяют амплитудные и частотные. Статические модуляционные характеристики рассчитываются или снимаются экспериментально при отсутствии модулирующего сигнала, а динамические – при подаче такого сигнала. Отсюда и названия характеристик.⁸

Выше было показано, что АМ колебание занимает полосу частот 2F_МАКС. А это означает, что высокочастотные цепи АМ генератора, через которые проходит модулированный сигнал, должны быть рассчитаны на симметричное прохождение колебания в этой полосе частот с минимальными частотными искажениями.⁹ Частотные искажения информационного (модулирующего) сигнала возникают также в модуляционном устройстве. Поэтому под динамической частотной (амплитудно-частотной) модуляционной характеристикой (АЧХ) АМ генератора понимается зависимость коэффициента модуляции m от частоты модулирующего сигнала F при неизменной его амплитуде, то есть при
U_ΩM = const. Примерный вид АЧХ АМ генератора показан на рис.24.3,а. Соответствующими документами, в том числе государственными стандартами, устанавливаются допустимые частотные искажения для каждого класса передатчиков в зависимости от его назначения. Для радиовещательных передатчиков требования к частотным искажениям более жёсткие, чем для связных. Допустимые частотные искажения обычно устанавливаются относительно значения m на частоте F₀ (400 Гц или 1000 Гц).

Выше отмечалось, что огибающая высокочастотного АМ колебания совпадает с формой модулирующего сигнала (см. рис.24.1). Однако в реальных условиях огибающая АМ колебания никогда точно не повторяет форму модулирующего сигнала. Соответственно выделенный после демодуляции сигнал будет отличаться по форме от первичного модулирующего сигнала. Отличие форм сигналов оценивается с помощью коэффициента нелинейных искажений (он же коэффициент гармоник). Источником нелинейных искажений в первую очередь является АЭ, причём не только АЭ самого модулируемого генератора, но, в общем случае, АЭ модулятора да и вообще всего модуляционного устройства. Если в схеме в цепях прохождения модулирующего сигнала используются трансформаторы с сердечниками, то возникают дополнительные нелинейные искажения за счёт нелинейности кривой намагничивания сердечника. Если рассматривать радиопередатчик в целом, то нелинейные искажения модулирующего сигнала возникают также в каскадах усиления АМ колебаний, если такие каскады имеются в структуре передатчика. Для оценки нелинейных искажений в генераторе с АМ, да и в передатчике в целом, используют динамические амплитудные модуляционные характеристики,¹⁰ под которыми понимают зависимость коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего сигнала U_ΩM. Амплитудная модуляционная характеристика обычно снимается на частоте модулирующего сигнала 400 Гц, либо 800 Гц или 1000 Гц. При этом она снимается раздельно для положительного (m⁺) и отрицательного (m^–) полупериодов модулирующего сигнала. Определение m⁺ и m^– может быть понято из обозначений рис.24.1,а, согласно которым

Примерный вид динамической амплитудной модуляционной характеристики показан на рис.24.3,б. Совпадение ветвей m⁺ и m^– свидетельствует о симметричности модуляции. Расхождение ветвей m⁺ и m^– указывает на несимметричность модуляции «вверх» (в направлении максимальной точки) и «вниз» (в направлении минимальной точки). Отклонение амплитудной характеристики от прямой линии указывает на наличие нелинейных искажений в огибающей АМ колебания относительно первичного модулирующего сигнала. Степень криволинейности амплитудной модуляционной характеристики позволяет судить о величине нелинейных искажений огибающей.

П
омимо динамических модуляционных характеристик (ДМХ), рассмотренных выше: частотной (амплитудно-частотной) m(F) и амплитудной m(U_ΩM), для АМ генераторов представляет интерес статическая модуляционная характеристика (СМХ), характеризующая зависимость амплитуды первой гармоники выходного (анодного или коллекторного) тока АЭ генератора от постоянного напряжения на модулирующем электроде, то есть на электроде, в цепь питания которого при осуществлении АМ заводится модулирующий сигнал: I₁(E_МОД).¹¹ Снять экспериментально зависимость амплитуды первой гармоники анодного или коллекторного тока от напряжения на модулирующем электроде обычно не представляется возможным. Часто возможно снятие СМХ контурного тока I_КОНТ (Е_МОД), тесно связанной с интересующей зависимостью I₁(E_МОД). Ещё проще снять СМХ I₀(E_МОД), характеризующую зависимость постоянной составляющей анодного или коллекторного тока от напряжения на модулирующем электроде. Примерный вид СМХ при изменении напряжения питания на управляющем электроде (сетке или базе) или при изменении напряжения питания на выходном электроде (аноде или коллекторе) показан на рис.24.4,а, б соответственно в обозначениях лампового генератора. СМХ нужны для выбора рабочей точки в режиме молчания, то есть при отсутствии модулирующего сигнала (режим несущей частоты, телефонный режим). Рабочая точка выбирается примерно на середине нарастающего участка характеристики. Соответствующее ей напряжение принимается за постоянное напряжение питания соответствующего электрода. Под воздействием модулирующего напряжения результирующее напряжение на электроде изменяется симметрично в обе стороны относительно постоянного напряжения. При настройке и отработке АМ генератора напряжение питания в рабочей точке может быть уточнено. Линейность СМХ даёт также представление о линейности модуляции. Чем линейнее СМХ, тем меньше нелинейные искажения в динамическом режиме. На практике количественно нелинейные искажения оцениваются с помощью специального прибора, позволяющего снять зависимость коэффициента гармоник k_Г (коэффициента нелинейных искажений) от глубины модуляции, то есть от величины коэффициента модуляции m. Во многих случаях указанная зависимость снимается на нескольких модулирующих частотах. Допустимые нелинейные искажения в радиовещательных передатчиках не превышают единиц процентов.

Амплитудная модуляция смещением (Сеточная и базовая модуляция)

При АМ смещением амплитуда первой гармоники выходного тока АЭ (анодного тока лампы, коллекторного тока транзистора) должна линейно изменяться с изменением напряжения смещения на управляющей сетке лампы или базе транзистора. При этом амплитуда напряжения возбуждения U_MC или U_МБ остаётся неизменной. Напряжение смещения, напротив, изменяется в соответствии с модулирующим сигналом.