Лекция 29 (лекции по УГФС), страница 3

1. Во-первых, более полно используется мощность генераторного прибора выходного каскада передатчика. При этом мощность передатчика одинакова как при отсутствии, так и при наличии модулирующего сигнала, так как амплитуда сигнала с ЧМ неизменна.

2. Во-вторых, промышленный КПД передатчика с ЧМ в 1,3…1,5 раза выше, чем передатчика с АМ, так как выходной каскад работает в наиболее выгодном режиме: обычно критическом или слабо перенапряжённом. Также мощность, потребляемая частотным модулятором, значительно ниже мощности, потребляемой амплитудным модулятором.

3. В-третьих, при ЧМ легче получить линейность модуляции.

К основным характеристикам, определяющим работу ЧМ передатчика, относятся:

1. Статическая модуляционная характеристика, представляющая зависимость изменения частоты передатчика от постоянного напряжения на входе частотного модулятора: .

2. Динамическая модуляционная характеристика – зависимость девиации частоты или индекса модуляции от амплитуды модулирующего сигнала при неизменной частоте модуляции:

3. Амплитудно-частотная характеристика

где F – частота модулирующего сигнала.

Осуществление фазовой модуляции (ФМ)

Основным методом осуществления ФМ является подключение к резонансному контуру в выходной цепи АЭ усилительного каскада управляемой реактивности, величина которой изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.

В качестве управляемой реактивности в настоящее время наиболее часто используется барьерная ёмкость p-n-перехода полупроводникового диода. Для этой цели существуют специальные диоды, называемые варикапами (см. лекцию 18). На рис.29.3 представлена схема, поясняющая принцип осуществления ФМ с использованием варикапа.

К онтур образован индуктивностью L и ёмкостью варикапа С_В. С помощью делителя напряжения коллекторного питания на диод с резистора R₂ подаётся обратное напряжение на варикап, обусловливающее рабочую точку при отсутствии модулирующего сигнала. При этом контур настроен на частоту входного сигнала ω₀. Под воздействием модулирующего сигнала изменяется ёмкость варикапа, соответственно изменяется резонансная частота контура ω_К относительно средней частоты ω₀.

Пусть на входе транзистора действует сигнал . Обусловленная этим сигналом амплитуда первой гармоники коллекторного тока . Комплексная амплитуда колебательного напряжения на контуре

, (29.21)

где – комплексное сопротивление контура на центральной частоте, определяемое расстройкой относительно средней частоты ω₀.

ФЧХ контура (рис.29.4)

, (29.22)

где Q – добротность контура.

В пределах значений ±0,5 радиана (примерно ±30⁰) ФЧХ контура оказывается практически линейной. Соответственно, максимальное изменение фазы, определяющее девиацию начальной фазы при ФМ, которое может быть получено в рассматриваемой схеме при обеспечении линейной модуляции, не превышает 0,5 радиана. Напомним, что при ФМ девиация начальной фазы колебания и индекс модуляции являются одним и тем же параметром.

При небольших расстройках контура выражение (29.22) может быть записано в виде

.

Если учесть, что относительное изменение резонансной частоты контура связано с изменением ёмкости и индуктивности контура соотношением (см. лекцию 22)

,

то при изменении ёмкости контура фазовый угол его сопротивления на средней частоте можно считать равным⁵

.

Согласно последнему выражению положительное приращение ёмкости контура, приводящее к понижению резонансной частоты контура относительно средней частоты, обусловливает изменение фазового угла в области отрицательных значений, а отрицательное приращение ёмкости контура, приводящее к повышению резонансной частоты контура, обусловливает изменение фазового угла в области положительных значений.

Для мгновенного напряжения на выходе усилителя (рис.29.3), учитывая (29.21), можно записать

,

где начальная фаза колебания изменяется под воздействием модулирующего сигнала.

Так как при расстройке контура изменяется модуль его сопротивления , то, очевидно, фазовая модуляция в рассматриваемой схеме сопровождается паразитной амплитудной модуляцией. Чем больше пределы изменения фазового угла, тем больше паразитная АМ.

Большая девиация начальной фазы колебания и меньшая паразитная АМ могут быть получены при использовании в выходной цепи АЭ усилительного каскада многоконтурных цепей, в частности, трёхконтурной колебательной системы, каждый из контуров которой перестраивается с помощью варикапа. Схема усилителя с колебательной системой из трёх одинаковых контуров, перестраиваемых варикапами, представлена на рис.29.5.

В схеме (рис.29.5) может быть обеспечена девиация фазы до ±40⁰ на каждый контур при нелинейных искажениях, не превышающих 2%, и практически отсутствующей АМ. Если допустить несколько большие нелинейные искажения, то в последней схеме может быть достигнута девиация фазы до ±180⁰.

Усилители по схемам рис.29.3 и рис.29.5, а также им подобные устройства, используемые для осуществления ФМ, принято называть фазовыми модуляторами.

В последнее время в связной аппаратуре часто применяют фазовые модуляторы в виде простых RLC-фазовращателей, в которых в качестве управляемого сопротивления используется полевой транзистор. Схема такого фазового модулятора представлена на рис.29.6.

Е сли выбрать ёмкость цепи (рис.29.6)

то коэффициент передачи этой цепи по напряжению на частоте входного высокочастотного сигнала

. (29.23)

Как видно из (29.23), при любом значении R модуль коэффициента передачи по напряжению рассматриваемой цепи на частоте высокочастотного сигнала K = 1. Соответственно паразитной АМ нет. Сдвиг по фазе между входным и выходным высокочастотными сигналами, как следует из (29.23),

. (29.24)

Согласно (29.24), если сопротивление R изменять от 0 до ∞ , то фаза будет изменяться от 0 до 180⁰. Очевидно, в реальной цепи не может быть обеспечено как нулевое, так и бесконечное значение сопротивления R. Кроме того, если даже допустить такое изменение сопротивления, то характер изменения фазы (29.24) будет весьма нелинейным, что неприемлемо для целей ФМ. При изменении сопротивления R в пределах R_МИН…R_МАКС фаза выходного сигнала (29.24) изменяется в пределах . При этом девиация фазы при осуществлении ФМ будет равна половине интервала изменения фазы, то есть

. (29.25)

При модуляции гармоническим сигналом сопротивление R изменяется по закону

,

где – коэффициент модуляции сопротивления резистора; R_СР – значение сопротивления резистора в режиме несущей частоты, то есть при отсутствии модулирующего сигнала.

Если установить при отсутствии модулирующего сигнала , то, согласно (29.24), для этого необходимо обеспечить

.

Максимальное значение фазы согласно (29.24)

,

минимальное значение фазы

.

Девиация фазы (29.25) .⁶ Например, при m_R = 0,6 получаем , то есть примерно 28,5⁰. Исследования показывают, что при рассмотренном выборе параметров фазовращателя (рис.29.6) имеют место заметные нелинейные искажения ФМ.

На рис.29.7 приведена схема активного мостового фазового модулятора, применяемого в радиостанциях подвижной связи.

Э лементы R1, R2, R, C_В, L по структуре формируют цепь, подобную классической мостовой схеме (см. рис.16.3, лекция 16), но эта цепь не является сбалансированным мостом. На нагрузках R1, R2 в коллекторной и эмиттерной цепях транзистора формируются два одинаковых по амплитуде, но противофазных напряжения, которые прикладываются к ветвям моста R, C_В, L. В схеме обеспечивается девиация начальной фазы колебания до 50…60⁰ при хорошей линейности и малой паразитной АМ.

В заключение отметим, что, очевидно, в качестве фазового модулятора может быть использован практически любой электрически управляемый фазовращатель соответствующего диапазона частот.⁷

Осуществление частотной модуляции (ЧМ)

Частотная модуляция (ЧМ) связана с изменением частоты высокочастотного колебания под воздействием управляющего сигнала. Так как частота колебаний определяется автогенератором, то, очевидно, ЧМ возможна в автогенераторе. С другой стороны, частотная и фазовая модуляции (ЧМ и ФМ) тесно связаны между собою, что дало основание объединить их в один вид угловой модуляции. Тесное родство ЧМ и ФМ позволяет осуществлять один вид модуляции, а результат на выходе иметь соответствующим другому виду модуляции. Например, можно осуществлять ФМ с использованием любой из рассмотренных выше схем, а выходное колебание получать при этом со свойствами ЧМ колебания. Очевидно, можно и наоборот: осуществлять ЧМ, а результирующее колебание получать со свойствами ФМ колебания. То есть возможно преобразование колебания одного вида (модуляции) в колебание другого вида (модуляции).⁸ Для преобразования ФМ в ЧМ и наоборот модуляция должна осуществляться сигналом, отличным от оригинального (исходного). В частности, если осуществить ФМ сигналом, полученным путём интегрирования исходного модулирующего сигнала, то характеристики полученного колебания относительно исходного модулирующего сигнала будут как у ЧМ колебания. Действительно, пусть исходный модулирующий сигнал как и прежде