Лекция 28 (лекции по УГФС), страница 4

Достоинство многофазной модуляции – возможность формирования ОБП непосредственно на рабочей частоте.

Фазофильтровый способ формирования однополосного сигнала.

Структурная схема фазофильтрового способа формирования сигнала ОБП представлена на рис.28.13.

Процесс формирования однополосного сигнала в фазофильтровой схеме основывается на принципе квадратурной (многофазной) модуляции. В схему также входят два фильтра нижних частот, позволяющие исключить из схемы сложные широкополосные фазосдвигающие устройства (фазовращатели).

На балансные модуляторы БМ1 и БМ2 поступают сигналы модулирующей частоты и два напряжения поднесущей частоты F₀: U₀cosΩ₀t и U₀cos(Ω₀t + 90⁰), сдвинутые по фазе на 90⁰. На выходах указанных модуляторов, которые считаем абсолютно идентичными, соответственно получаем напряжения¹³

(28.5)

где m – в данном случае коэффициент пропорциональности, связанный с коэффициентом амплитудной модуляции; Ω₀ = 2πF₀; Ω = 2πF.

Эти напряжения поступают на фильтры нижних боковых полос ФНБП1 и ФНБП2 соответственно, на выходах которых создаются напряжения

(28.6)

где k₁, k₂ – коэффициенты передачи по напряжению соответствующих фильтров; – фазовые сдвиги создаваемые соответствующими фильтрами на разностной частоте (на частотах НБП).

Если фазовые сдвиги, создаваемые фильтрами на одной и той же частоте одинаковы, то напряжения на выходах фильтров оказываются сдвинутыми ровно на 90⁰. Далее работа оконечной части схемы, включающей балансные модуляторы БМ1^/ и БМ2^/ и фазовращатель на 90⁰ на частоте f аналогична квадратурной схеме формирования однополосного сигнала (рис.28.12). При положительном фазовом сдвиге +90⁰ на частоте f на выходе схемы (рис.28.13) будет выделен суммарный сигнал НБП. При этом на приёмной стороне потребуется восстановить частоту f – F₀. Если на частоте f обеспечить фазовый сдвиг –90⁰, то выделится сигнал ВБП. Соответственно на приёмной стороне потребуется восстановить частоту f + F₀.

Таким образом, при фазофильтровом способе формирования однополосного сигнала два низкочастотных напряжения с неизменным фазовым сдвигом в 90⁰ получаются с помощью фазовращателя на фиксированной частоте Ω₀, что не связано с особыми трудностями. Однако при данном способе формирования однополосного сигнала предъявляются жёсткие требования к амплитудным и особенно к фазовым характеристикам фильтров боковых полос. Создание двух ФНЧ с абсолютно идентичными фазовыми характеристиками в интересующей полосе частот может оказаться невыполнимой задачей.

При фазофильтровом способе формирования однополосного сигнала поднесущая частота F₀ может быть выбрана из условия¹⁴

,

г де F_МИН и F_МАКС – соответственно минимальная и максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

В этом случае поднесущая частота соответствует середине спектра сигнала низкой (модулирующей) частоты (рис.28.14). При таком выборе поднесущей частоты верхние боковые полосы (ВБП) на выходах балансных модуляторов БМ1 и БМ2 имеют обычный вид, занимая полосу частот от (F₀ + F_МИН) до (F₀ + F_МАКС), и отличаются только тем, что колебания в них сдвинуты на 90⁰. Нижние боковые полосы (НБП) образуются двумя группами спектра, расположенными слева и справа от F₀. При этом обе группы спектра НБП начинаются с нуля, то есть при F = 0. Соответственно, границы первой группы заключаются в интервале частот от F = 0 до

.

Границы второй группы спектра заключаются в интервале частот от F = 0 до¹⁵

.

Как видим, обе группы спектра НБП занимают один и тот же интервал частот. Следовательно, фильтры нижних боковых частот ФНБП1 и ФНБП2 должны иметь полосу частот от F = 0 до

,

что в два раза уже ширины спектра модулирующего сигнала.¹⁶ На выходах БМ1 и БМ2 сигналы НБП отличаются только сдвигом колебаний по фазе на 90⁰.

Описанная спектральная картина колебаний на выходах БМ1 и БМ2 представлена на рис.28.15.

О братим внимание, что вторую группу спектра НБП можно назвать «перевёрнутой», так как верхним частотам модуляции F_М, находящимся в интервале частот

F_МАКС ≥ F_М > F₀,

соответствуют более высокие частоты, чем при выборе поднесущей частоты F₀ > F_МАКС, как это делается при других способах формирования сигнала ОБП, рассмотренных выше.

Выражения (28.5) применительно к схеме Уивера справедливы для модулирующих частот в интервале F₀ ≥ F_М ≥ F_МИН. Для модулирующих частот в интервале F_МАКС ≥ F_М ≥ F₀ следует считать, учитывая, что физический смысл имеют положительные частоты,

(28.5^/)

Соответственно выражения (28.6) также справедливы для модулирующих частот в интервале F₀ ≥ F_М ≥ F_МИН, а для модулирующих частот в интервале F_МАКС ≥ F_М ≥ F₀ следует считать

(28.6^/)

Считая балансные модуляторы БМ1^/ и БМ2^/ абсолютно идентичными, получаем напряжения на их выходах при F₀ ≥ F_М ≥ F_МИН

(28.7)

где K – коэффициент преобразования БМ; ω = 2πf.

Учитывая (28.6^/), при модулирующих частотах в интервале F_МАКС ≥ F_М ≥ F₀ соответственно получаем

(28.8)

Если фильтры боковых полос ФНБП1 и ФНБП2 абсолютно идентичны, то результирующий сигнал U_Σ на выходе схемы в интервале модулирующих частот F₀ ≥ F_М ≥ F_МИН, как следует из (28.7), определяется вторыми слагаемыми, соответствующими нижним боковым полосам на выходах БМ1^/ и БМ2^/. В интервале модулирующих частот
F_МАКС ≥ F_М ≥ F₀ результирующий сигнал U_Σ на выходе схемы, как следует из (28.8), определяется первыми слагаемыми, соответствующими верхним боковым полосам на выходах БМ1^/ и БМ2^/.

Для выделения полезного сигнала на приёмной стороне, как уже отмечалось, потребуется восстановление частоты f – F₀ (или ω – Ω₀).

Как следует из (28.5), (28.6), (28.5^/), (28.6^/) при Ω = Ω₀, что имеет место при частоте модулирующего сигнала F_М = F₀, гармонические сигналы НБП на выходах БМ1 и БМ2, соответственно и на выходах фильтров ФНБП1 и ФНБП2 отсутствуют. Эффект модуляции пропорционален уровню выходного постоянного напряжения (тока).¹⁷ Очевидно, выходные цепи БМ в этом случае не могут быть выполнены с использованием трансформаторов. В качестве нагрузки следует использовать резисторы. При этом предпочтительной может оказаться двухтактно-параллельная схема БМ (см. рис.28.1,б; рис.28.4,б; рис.28.5,б).

Многоканальная передача с использованием сигнала ОБП

Выше мы отмечали, что ОМ широко применяется в многоканальной радиосвязи. Это объясняется следующими соображениями.

Допустим, что с помощью передатчика надо передать N сообщений. Пусть максимальная величина колебательного напряжения (аналогично можно рассуждать относительно максимальной величины полезной гармоники выходного тока), которая может быть допущена на выходе передатчика, равна U_{М МАКС}. Так как это напряжение создаётся сигналами всех сообщений, то при равномерном распределении его между сообщениями на одно сообщение (один канал) приходится напряжение

соответственно колебательная мощность, приходящаяся на один канал,

,

где P_~МАКС – максимальная колебательная мощность, возможная на выходе передатчика.

Последнее выражение показывает, что при многоканальной передаче резко уменьшается колебательная мощность, приходящаяся на один канал (одно сообщение). При одновременной передаче всех сообщений суммарная мощность в нагрузке передатчика

.

Как видим, суммарная мощность оказывается в N раз меньше максимальной возможной мощности передатчика.

Статистический анализ многоканальных сигналов (сообщений) показывает, что при большом числе каналов маловероятно одновременное совпадение максимальных уровней сигналов по всем каналам, что позволяет несколько увеличить выходной уровень сигнала на один канал по сравнению с равномерным распределением. Это обстоятельство позволяет несколько увеличить мощность на один канал, однако в целом не спасает положение. Д
альность и надёжность связи напрямую связаны с уровнем мощности выходного сигнала сообщения.

Плохое использование мощности передатчика при многоканальной работе требует серьёзного увеличения его мощности для обеспечения уверенного приёма. Иные условия создаются при радиосвязи на ОБП. Большой эквивалентный выигрыш в мощности при ОМ в значительной мере компенсирует проигрыш в использовании мощности передатчика при многоканальной работе.

На рис.28.16 представлена структурная схема формирования однополосного сигнала, соответствующего многоканальному сообщению. Схема иллюстрирует формирование сигнала для передачи четырёх сообщений: F₁, F₂, F₃, F₄. Объединением двух таких схем можно сформировать сигнал для передачи восьми сообщений и т.д. Из приведенной схемы (рис.28.16) видно, что свободная боковая полоса одного канала используется для другого.

Необходимо отметить, что передача нескольких сообщений по одному передатчику более целесообразна, нежели для каждого канала использовать свой передатчик, даже однополосный. В последнем случае потребовалось бы занять более широкую полосу частот в эфире с учётом взаимной нестабильности рабочих частот передатчиков.

При многоканальной работе значительно повышается требование линейности усиления. Нелинейность усиления приводит к перекрёстным искажениям. Для обеспечения линейного усиления в маломощных каскадах однополосных передатчиков используют режим класса А, а в мощных – класса В. Кроме того, при необходимости весь усилительный тракт передатчика охватывают специальными видами отрицательной обратной связи.

При настройке однополосные передатчики испытывают на перекрёстные искажения путём одновременной модуляции двумя сигналами разных звуковых частот с равными амплитудами. При этом амплитуды колебаний комбинационных частот модуляции в выходном сигнале не должны превышать (1 – 3)% от амплитуд колебаний полезных частот.

Примечание: Настоящей лекцией мы завершили рассмотрение вопросов осуществления АМ в генераторах радиопередающих устройств. Следует обратить внимание, что АМГ в передатчике и смеситель или преобразователь частоты в радиоприёмнике являются родственными устройствами. Отличие только в том, что на выходе АМГ получают колебания суммарной и разностных частот, а на выходе смесителя или преобразователя частот надо иметь одно из этих колебаний, что достигается соответствующей реализацией фильтрующих систем (при выделении ОБП решается подобная задача). Сказанное относится и к балансным модуляторам (существуют балансные смесители).

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 28:

1. Изобразите АМ колебание при модуляции одним тоном с коэффициентом модуляции m = 1 и соответст-
вующее ему колебание верхней (нижней) боковой частоты. Опишите колебания. Как изменится вид ко-
лебаний при m = 0,5?