Лекция 29 (лекции по УГФС), страница 7

Р азности частот

(f₂ – f₁) = (f₃ – f₂) = (f₄ – f₃) = Δf

называют сдвигом (или разносом) частот. В диапазоне 0,5…30 МГц, где осуществляется большая часть радиотелеграфных связей, сдвиги частот составляют 125…500 Гц.

При ЧТ с резкими скачками частоты от f₁ до f₂ и обратно спектр получаемого сигнала имеет большое число составляющих, которые не попадают в полосу приёмного устройства, но которые создают значительные помехи работе других линий радиосвязи. Поэтому при ЧТ необходимо обязательно принимать меры к ограничению внеполосных спектров. Это можно обеспечить, если при формировании сигнала ЧТ изменять частоту не скачком, а плавно, в течение некоторого времени , где – длительность элементарной посылки.

С формировать сигнал ЧТ можно переключением частот двух независимых КАГ, как показано, например, на схеме рис.29.23,а. Однако при этом могут иметь место скачки фазы до 180⁰ в моменты коммутации (переключения генераторов), что приведёт к расширению спектра получаемого сигнала и соответственно к возрастанию внеполосных составляющих. Этот недостаток можно устранить, применив деление частоты получаемого сигнала ЧТ в N раз (рис.29.23,б). При достаточно большом значении N ≈ 100…150 скачки фазы соответственно уменьшаются до ≈ 1,2…1,8⁰, но одновременно понижается и основная частота выходного колебания. Внеполосные составляющие спектра получаемого сигнала дополнительно ослабляются избирательными цепями последующих усилительных каскадов. Аналогично можно осуществить коммутацию четырёх КАГ при ДЧТ. В качестве переключателей используют электронные ключи, управляемые сигналами от манипулятора или подобного устройства, формирующего первичные телеграфные сигналы в виде посылок и пауз, единиц (1) и нулей (0) (рис.29.22).

С
качки фазы при формировании сигнала ЧТ можно устранить, применив схему рис.29.24, в которой частоты нажатия f₁ и пауз f₂ образуются как боковые составляющие спектра АМ сигнала при модуляции колебания несущей частоты f₀ сигналом с частотой F_М = Δf / 2, причём моменты переключения частот синхронизируются с частотой F_М, так что коммутация происходит в моменты прохождения модулирующего сигнала через нулевое значение (нулевой уровень). Сигнал несущей частоты подавляется в балансном модуляторе, на выходе которого существуют колебания верхней боковой полосы (ВБП)
(f₀ + F_М) и нижней боковой полосы (НБП) (f₀ – F_М) , которые разделяются фильтрами и через коммутатор, управляемый манипулятором, поступают на выход, обеспечивая частоты f₁ = (f₀ + F_М) и f₂ = (f₀ – F_М) со сдвигом Δf = 2F_М.

ЧТ можно осуществить путём изменения частоты КАГ, подключая параллельно кварцевому резонатору ёмкость и отключая её. Можно подключить параллельно кварцевому резонатору или включить последовательно с ним варикап и изменять на нём напряжение скачком в соответствии с манипулирующим сигналом. В этих случаях также не будет скачков фазы колебаний, но трудно получить большой сдвиг частот.

В настоящее время в системах передачи дискретной информации (многоканальные и космические системы связи, телеметрические системы) широко используют фазовую манипуляцию, называемую по аналогии с АТ и ЧТ фазовой телеграфией (ФТ).

П
ри ФТ передатчик излучает колебание одной частоты, начальная фаза которого может принимать два или более дискретных значения в зависимости от передаваемого сообщения. Работа на одной частоте обеспечивает лучшую помехоустойчивость и даёт энергетический выигрыш.

При передаче одноканального сигнала, так называемой однократной телеграфии, при ФТ символам 0 и 1 соответствуют фазы излучаемого колебания 0 и 180⁰. Такой режим носит название π-манипуляции. При двукратной фазовой телеграфии (ДФТ), когда передаются два сообщения (два сигнала), фаза колебания принимает значения 0, 90, 180 и 270⁰. Для уменьшения спектра внеполосных излучений следует производить переключение фаз без резких скачков при переходе от одного значения к другому. Наибольшую экономию спектра и лучшую помехоустойчивость обеспечивает так называемая относительная фазовая телеграфия (ОФТ), называемая также фазоразностной манипуляцией (ФРМ), когда изменение дискретных значений фазы происходит лишь при переходе, например, от символа 1 к символу 0, а при обратном переходе фаза колебания не изменяется. При этом количество манипуляций фазы в два раза меньше, соответственно спектр сигнала ОФТ уже.

На рис.29.25 представлена одна из возможных схем осуществления ФТ с изменением фазы на 180⁰. Противофазные сигналы снимаются с выхода усилителя на транзисторе VT и поступают на входы транзисторов VT1 и VT2, которые подключаются к общему контуру. Подключение выходов транзисторов VT1 и VT2 к нагрузке осуществляется с помощью электронных ключей на транзисторах VT3 и VT4, управляемых от манипулятора, обеспечивающего последовательность импульсов противоположной полярности. При положительном импульсе с манипулятора на выход проходит высокочастотный сигнал через транзистор VT1, а при отрицательном сигнале с манипулятора на выход проходит высокочастотный сигнал с транзистора VT2.

В заключение отметим, что простейший фазовый манипулятор может быть выполнен по принципу коммутации фазовращателей, обеспечивающих необходимые сдвиги фазы высокочастотного колебания.

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 29:

1. Представьте графические изображения ЧМ и ФМ колебаний при модуляции одним тоном. Каждое коле-
бание представьте в сравнении с немодулированным колебанием в пределах одного периода модули-
рующего колебания.

2. Дайте определения основных параметров ЧМ и ФМ колебаний. Запишите соотношения, их определяю-
щие. Поясните сходство и различия в параметрах ЧМ и ФМ колебаний.

3. Как будут различаться выходные мощности передатчиков с ЧМ и АМ в режиме молчания при полном
использовании в выходных каскадах одинаковых АЭ с номинальной колебательной мощностью P_~НОМ ?
Рассмотрите разные случаи АМ: смещением, анодную, коллекторную.

4. Попробуйте провести анализ спектра ЧМ и ФМ колебания, используя запись

.

Как сходятся результаты с представленными в лекции?

5. Представьте схему моста в схеме мостового фазового модулятора рис.29.7. Учитывая, что на резисторах
R1 и R2 действуют одинаковые по величине, но противофазные напряжения, получите выражение для
выходного ФМ колебания.

6. ЧМ колебание получено путём преобразования ФМ в ЧМ. Какими при этом будут сигналы на выходах
приёмных устройств соответственно с частотным и фазовым детектором? Что надо сделать, чтобы в
обоих случаях получить исходный модулирующий сигнал?

7. Что, по вашему мнению, в схеме рис.29.10 представляют управляющая реактивность для осуществления
ЧМ и управляющий элемент в кольце ЧАП? Можно ли объединить их функции? Если можно, то какие
достоинства и недостатки при этом будут иметь место?

8. Запишите выражения для ёмкости контура С_К и индуктивности контура L_К, а также для ΔС_К и ΔL_К, если
используется одновременное изменение ёмкости и индуктивности контура при их подключении как на
схеме рис.29.15.Чему будет равна при этом девиация частоты? Рассмотрите также случаи С₀ = 0 и/или
С_СВ = ∞ . Сделайте выводы.

9. Какое решение будет принято вами, если в результате расчёта частотного модулятора с варикапом:

а) полученное значение девиации частоты совпадает с требуемым;

б) полученное значение девиации частоты больше требуемого;

в) полученное значение девиации частоты меньше требуемого?

Поясните возможные меры, которые можно предпринять в ситуациях б) и в).

10. Изобразите вид ФТ колебания при передаче последовательности импульсов из 1 и 0 с использованием

а) π-телеграфии и б) ОФТ.

1 В приводимых ниже соотношениях используется круговая частота ω = 2πf, где f и есть собственно частота колебания, выраженная в Гц.

2 Сказанное следует из сопоставления соответствующих слагаемых выражения (24.5) для АМ колебания и выражения (29.15) для ЧМ и ФМ колебаний. Напомним, что при записи гармонического сигнала модуляции при ЧМ и ФМ начальная фаза его была принята равной нулю. Можно ввести её в (29.15) или исключить из (24.5) для более наглядного сравнения указанных выражений. Точно также можно исключить из обоих выражений.

3 Появление АМ при ограничении спектра ЧМ и ФМ колебания наглядно было проиллюстрировано при рассмотрении векторной диаграммы рис.29.2,а.

4 Очевидно, любая из этих мер представляет дополнительную АМ к имеющейся ЧМ или ФМ и появившейся АМ за счёт ограничения спектра, обусловливая свои искажения сигнала. Ни одна реальная система не может работать с бесконечным спектром. Следовательно, получаемый после амплитудного ограничения сигнал, имеющий как факт ограниченный спектр, не может рассматриваться как просто сигнал с ЧМ или ФМ, имеющий бесконечный спектр, хотя ЧМ или ФМ является преобладающей в получаемом сигнале.

5 Аналогично при изменении индуктивности контура.

6 В работе Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др; Под ред. В.В.Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 1996 г. приводится подобное выражение в виде . Такой результат получается, если принять .

7 Возможно получение ФМ колебания путём преобразования АМ колебания. Допускаемый при этом индекс модуляции не более 0,4 рад. На практике этот метод сегодня не используется.

8 Преобразование ЧМ в ФМ на практике не используется. Как уже отмечалось, в радиопередающих устройствах, особенно для целей радиовещания, предпочтение отдаётся ЧМ, а не ФМ.

9 Обратим внимание, что ФМ также часто осуществляется с использованием управляемой реактивности (см. схемы рис.29.3, рис.29.5, рис.29.7). При этом вся схема, как отмечалось, называется фазовым модулятором. Автогенератор с подключенной к нему управляемой реактивностью, такой же, как в фазовом модуляторе, называют частотным модулятором. Однако такое название представляется не всегда удобным. Поэтому мы, в первую очередь, под частотным модулятором будем понимать устройство, изменяющее частоту резонансного контура в соответствии с законом модулирующего сигнала. Основной частью любого частотного модулятора является реактивный элемент (ёмкость и/или индуктивность), величина которого зависит от величины прикладываемого модулирующего сигнала.

10 Как мы видели, именно с такими характеристиками получается сигнал после интегрирования гармонического сигнала. Различие в постоянных коэффициентах не является принципиальным.

11 Соотношения можно использовать также в частных случаях С₀ = 0 и/или С_СВ = ∞ .