Лекция 29 (лекции по УГФС), страница 4

.

После интегрирования он принимает вид

,

где C₀ – постоянная интегрирования.

При осуществлении ФМ проинтегрированным сигналом получаем

. (29.10^/)

Постоянная интегрирования С₀ вошла в значение .

. (29.11^/)

. (29.12^/)

Частота результирующего колебания

.

Как видим, девиация частоты результирующего колебания не зависит от частоты модуляции, а прямо пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, что характерно для ЧМ колебания. Таким образом результатом фазовой модуляции проинтегрированным сигналом стало колебание с частотной модуляцией.

Из сказанного выше следует, что возможны два основных метода осуществления ЧМ:

первый – путём непосредственного изменения частоты автогенератора, называемый прямым методом ЧМ. Структурная схема прямого метода ЧМ показана на рис.29.8.

второй – с помощью фазовых модуляторов или метод получения частотной модуляции из фазовой, называемый также косвенным методом ЧМ. Одна из возможных структурных схем этого метода представлена на рис.29.9.

П
ри чисто фазовой модуляции в схеме (рис.29.9) отсутствует интегрирующая цепь.

Остановимся подробнее на рассмотрении этих двух методов осуществления ЧМ.

При первом методе параллельно контуру или последовательно в контур автогенератора (АГ) подключается управляемая реактивность (частотный модулятор), с помощью которой осуществляется изменение частоты автоколебаний. Напомним, что в случае, например, одноконтурного АГ изменение частоты автоколебаний, практически определяемой резонансной частотой контура АГ, связано с изменением реактивностей контура L_К, С_К соотношением (см. (22.1), лекция 22)

.

Под воздействием модулирующего сигнала изменяется один или оба реактивных параметра контура АГ относительного среднего значения при отсутствии модуляции. Согласно последнему соотношению получаемая при этом девиация частоты АГ

.

Если в последующих каскадах осуществляется умножение частоты в n раз, то соответственно увеличивается и девиация частоты на выходе (средняя частота автоколебаний также возрастает в n раз), то есть

.

Очевидно, ЧМ легче осуществить в АГ с параметрической стабилизацией частоты, имеющем относительно невысокую стабильность её (см. лекцию 22). При этом нестабильность частоты возрастает за счёт подключения к контуру АГ одной или двух управляемых реактивностей частотного модулятора.⁹ Отсюда следует, что один из наиболее сложных вопросов, возникающих при первом методе ЧМ, заключается в стабилизации средней частоты колебаний АГ и передатчика в целом.

Для стабилизации средней частоты рабочих колебаний при прямом методе осуществления ЧМ могут быть использованы системы АПЧ: частотная или фазовая (см. лекцию 23). Одна из возможных структурных схем с использованием системы частотной автоподстройки (ЧАП) средней частоты ЧМ автогенератора представлена на рис.29.10.

Обозначения на схеме: УПЧ – усилитель промежуточной частоты; ЧД – частотный детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот.

П ри таком способе стабилизации средней частоты автогенератор работает обычно или непосредственно на рабочей частоте передатчика f₀ = f_ПЕРЕД, или на частоте f₀ в (2 – 3) раза меньше частоты передатчика f_ПЕРЕД, что значительно упрощает схему и конструкцию передатчика. Необходимо так выбрать параметры системы АПЧ, чтобы она реагировала на относительно медленные изменения частоты стабилизируемого генератора, вызванные действием дестабилизирующих факторов, и не реагировала на более быстрые отклонения частоты, вызванные действием модулирующего сигнала. Для этого необходимо, чтобы частота среза ФНЧ F_СР была ниже низшей частоты модуляции F_МИН (рис.29.11, где k_ФНЧ – коэффициент передачи ФНЧ).

Стабилизация средней частоты может быть произведена с помощью интерполяционной схемы (рис.29.12).

В этом случае частота выходного колебания f = f₀ образуется в результате сложения частоты колебаний опорного (кварцевого) АГ f_КВ и частоты АГ с параметрической стабилизацией частоты f_АГ, в котором осуществляется частотная модуляция с девиацией частоты . Если выполняется соотношение f_КВ >> f_АГ, то нестабильность частоты выходных колебаний, соответственно и нестабильность средней частоты получаемого ЧМ колебания, практически определяется нестабильностью частоты опорного генератора с кварцевой стабилизацией частоты.

При рассмотрении кварцевых АГ было отмечено (см. лекцию 22), что в осцилляторных схемах частота автоколебаний может изменяться в некотором интервале между частотами последовательного и параллельного резонансов кварцевого резонатора. Это обстоятельство позволяет осуществлять в небольших пределах ЧМ в кварцевом АГ путём подключения параллельно кварцевому резонатору или последовательно с ним управляемой ёмкости, например, варикапа. Изменение частоты КАГ может быть получено в пределах (0,01…0,08)% собственной частоты кварцевого резонатора. Практически в осцилляторных схемах КАГ при частоте порядка 10 МГц получают девиацию частоты до 1 кГц. При ЧМ КАГ никаких специальных мер для стабилизации средней частоты колебаний не требуется. ЧМ в КАГ находит применение в основном в радиопередающих устройствах низовой связи, так как при этом методе имеют место довольно значительные нелинейные искажения передаваемого сигнала в дополнение к несколько пониженной стабильности средней частоты рабочих колебаний и невозможности получения большой девиации частоты.

Для большинства линий радиосвязи с ЧМ величина нестабильности средней частоты передатчика выбирается из соотношения . При широкополосной ЧМ, соответственно при большой девиации частоты, это условие можно выполнить без применения специальных мер по стабилизации средней частоты.

При втором – косвенном методе ЧМ, когда ЧМ колебание получается путём осуществления ФМ проинтегрированным сигналом модуляции, получаемая девиация начальной фазы, как следует из (29.10^/),

оказывается зависящей от частоты модуляции, а не только от амплитуды модулирующего сигнала. При одинаковой амплитуде модулирующего сигнала, как видим, максимальное значение девиации начальной фазы колебания получается на нижней частоте модуляции. Так как в каждой схеме осуществления ФМ девиация начальной фазы колебания не может быть получена больше некоторого значения , например, больше 0,5 радиана в схеме рис.29.3, то это значение при косвенном методе ЧМ может быть допущено только на нижней частоте модуляции. Соответственно получаемая при этом методе девиация частоты

. (29.26)

Если принять, например, , а нижнюю частоту модуляции
F_МИН = 100 Гц, то получаемая девиация частоты составит всего 50 Гц. В системах ЧМ вещания и звукового сопровождения телевидения необходимая девиация частоты устанавливается ±50 кГц или ±75 кГц. Для получения столь большой девиации частоты необходимо осуществить умножение получаемой девиации частоты в 1000 или в 1500 раз, что потребует применения большого числа умножителей частоты. Напомним, что с умножением девиации частоты умножается и средняя частота колебания. Необходимость многократного умножения девиации частоты и связанное с этим умножение средней частоты колебания существенно усложняют построение передатчика. Но при этом методе ЧМ не требуется применять какие-либо меры по стабилизации средней частоты, так как в качестве источника исходного модулируемого колебания используется автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты.

Если обозначить необходимую девиацию частоты выходного колебания (в случае передатчика это девиация частоты передатчика) , то, учитывая (29.26), для получения такой девиации частоты необходимо осуществить умножение частоты исходного модулируемого колебания в n раз:

. (29.27)

Зная необходимую частоту выходного колебания (рабочую частоту передатчика) , можно определить частоту исходного модулируемого колебания

. (29.28)

Частота исходного модулируемого колебания f_АГ должна быть достаточно высокой (минимум в 5…10 выше максимальной частоты модуляции F_МАКС), чтобы не возникали большие нелинейные искажения при модуляции. Таким образом, если даваемое (29.28) значение частоты превышает (5…10)F_МАКС, то частота исходного кварцевого АГ выбирается согласно (29.28) и в последующих каскадах осуществляется умножение частоты в
n раз. Структурная схема реализации метода в этом случае совпадает со схемой рис.29.9. Если даваемое (29.28) значение частоты оказывается ниже допустимого, то выбирается частота исходного колебания, превышающая максимальную частоту модуляции F_МАКС в необходимое число раз. Очевидно, если осуществить в последующих каскадах умножение частоты в n раз, то у выходного колебания девиация частоты будет равна заданной, а средняя частота выходного колебания окажется выше необходимой (например, рабочей частоты передатчика). В этом случае потребуется произвести понижение (гетеродинирование) частоты полученного колебания до нужного значения. Девиация частоты при этом сохранится без изменения. Если потребуется производить понижение частоты полученного колебания, то обычно это делается на промежуточном этапе. В этом случае выбирается частота исходного колебания f_АГ и осуществляется модуляция с девиацией частоты, определяемой (29.26). Полученное колебание подвергается умножению частоты в n₁ раз. После умножения получаем колебание со средней частотой n₁f_АГ и девиацией частоты . Используя гетеродин (высокостабильный АГ) с частотой f, с помощью смесителя (как в интерполяционной схеме) выделяем колебание разностной частоты, например,

f – n₁f_АГ ,

имеющее девиацию частоты .

Полученное колебание подвергается умножению частоты в n₂ раз. Средняя частота получаемого колебания должна быть равна требуемой частоте выходного колебания (рабочей частоте передатчика), то есть должно иметь место