Надольский А.Н. Теоретические основы радиотехники (2005) (1151788), страница 33
Текст из файла (страница 33)
8.6).Рис. 8.6. Режим малых входных сигналов амплитудного модулятораАмплитуда напряжения на колебательном контуре, резонансная частотакоторого равна несущей частоте, определяется амплитудой первой гармоникитока, т.е. U k I1R0 , где R0 – резонансное сопротивление контура. Учитывая,что средняя крутизна ВАХ в пределах рабочего участка равна отношению амплитуды первой гармоники к амплитуде несущего колебания, т.е. S ср I1 U н ,можно записатьU k U н R0 S ср .Под воздействием модулирующего напряжения, подаваемого на базу транзистора, будет изменяться положение рабочей точки, а значит, будет изменяться и средняя крутизна ВАХ. Так как амплитуда напряжения на колебательномконтуре пропорциональна средней крутизне, то для обеспечения амплитудноймодуляции несущего колебания необходимо обеспечить линейную зависимостькрутизны от модулирующего сигнала.
Покажем, что это возможно при использовании рабочего участка ВАХ, аппроксимируемого полиномом второй степени.Итак, в пределах квадратичного участка ВАХ, описываемого полиномомi a0 a1u a2 u 2 , существует входное напряжение, равное сумме двух колебаний: несущего и модулирующего, т.е.u ( t ) U н cos( 0 t ) U м cos( t ) .Начальные фазы колебаний будем считать в дальнейшем равными 0, т.к. ихвеличины не имеют принципиального значения для понимания процесса амплитудной модуляции. Спектральный состав тока коллектора определяется следующим образом:i(t ) a0 a1 (U н cos 0t U м cos t ) a2 (U н cos 0t U м cos t ) 2 2 a 0 a1Uн cos0t a1U м cost a2 (Uн2 cos2 0t U мcos2 t 2U нU м cos 0 t cos t ) .Выделяем первую гармонику токаi1 ( t ) a1U н cos 0 t 2 a 2U нU м cos t cos 0 t U н ( a1 2 a 2U м cos t ) cos 0 t .Таким образом, амплитуда первой гармоники равнаI 1 ( t ) U н ( a1 2 a 2U м cos t ) .Как видно из полученного выражения, амплитуда первой гармоники токалинейно зависит от модулирующего напряжения.
Следовательно, средняя крутизна также будет линейно зависеть от модулирующего напряжения.S ср (t ) I1 (t ) U н a1 2a 2U м cos t .Тогда напряжение на колебательном контуре будет равноU k (t ) U н R0 S ср (t ) cos 0t U н R0 ( a1 2a 2U м cos t ) cos 0t .Следовательно, на выходе рассматриваемого модулятора формируется амплитудно-модулированный сигнал вида:asвых ( t ) a1U н R0 (1 2U м 2 cos t ) cos 0 t U нв (1 m cos t ) cos 0 t .a1aЗдесь m 2U м 2 – коэффициент глубины модуляции;a1U нв a1U н R0 – амплитуда высокочастотного колебания на выходе модулятора в отсутствие модуляции, т.е.
при m 0 .При проектировании передающих систем важным требованием являетсяформирование амплитудно-модулированных колебаний большой мощности придостаточном КПД. Очевидно, что рассмотренный режим работы модулятора неможет обеспечить эти требования, особенно первое из них. Поэтому наиболеечасто используют так называемый режим больших сигналов.б. Режим больших входных сигналовЭтот режим устанавливается выбором рабочей точки на ВАХ транзистора,при котором усилитель работает с отсечкой тока. В свою очередь выбором амплитуды несущего колебания обеспечивается изменение амплитуды импульсовтока коллектора I m (t ) по закону модулирующего сигнала (рис.
8.7). Это приводит к аналогичному изменению амплитуды первой гармоники коллекторноготока и, следовательно, изменению амплитуды напряжения на колебательномконтуре модулятора, так какI 1 ( t ) 1 ( ) I m ( t )иU k ( t ) I1 ( t ) R0 1 ( ) I m ( t ) R0 .Рис. 8.7.
Режим больших входных сигналов амплитудного модулятораИзменение амплитуды входного высокочастотного напряжения во временисопровождается изменением угла отсечки, а значит, и коэффициента 1 ( ) .Следовательно, форма огибающей напряжения на контуре может отличаться отформы модулирующего сигнала, что является недостатком рассмотренного метода модуляции. Для обеспечения минимальных искажений необходимо устанавливать определенные пределы изменения угла отсечки и работать при неслишком большом коэффициенте модуляции m .В схеме амплитудного модулятора, приведенной на рис. 8.8, модулирующий сигнал подается на базу транзистора VT 2 генератора стабильного тока.Значение этого тока пропорционально входному напряжению.
При малых значениях входных напряжений амплитуда выходного напряжения будет зависетьот модулирующего сигнала следующим образом:U вых ( t ) k1U н [1 k 2 s м ( t )] ,где k1 , k 2 – коэффициенты пропорциональности.8.3.3. Характеристики амплитудного модулятораДля выбора режима работы модулятора и оценки качества его работы используют различные характеристики, основными из которых являются: статическая модуляционная, динамическая модуляционная и частотная характеристики.Рис.
8.8. Схема амплитудного модулятора с генератором токаа. Статическая модуляционная характеристикаСтатическая модуляционная характеристика (СМХ) – это зависимостьамплитуды выходного напряжения модулятора от напряжения смещения припостоянной амплитуде напряжения несущей частоты на входе, т.е.U вых f (U с. м ) .При экспериментальном определении статической модуляционной характеристики на вход модулятора подается только напряжение несущей частоты(модулирующий сигнал не подается), изменяется величина U см (как бы имитируется изменение модулирующего сигнала в статике) и фиксируется изменениеамплитуды несущего колебания на выходе.
Вид характеристики (рис. 8.9,а) определяется динамикой изменения средней крутизны ВАХ при изменении напряжения смещения. Линейный возрастающий участок СМХ соответствуетквадратичному участку ВАХ, так как на этом участке с ростом напряжениясмещения средняя крутизна растет. Горизонтальный участок СМХ соответствует линейному участку ВАХ, т.е. участку с постоянной средней крутизной. Припереходе транзистора в режим насыщения появляется горизонтальный участокВАХ с нулевой крутизной, что и отражается спадом СМХ.Статическая модуляционная характеристика позволяет определить величину напряжения смещения U см 0 и приемлемый диапазон изменения модулирующего сигнала U м с целью обеспечения его линейной зависимости от выходного напряжения.
Работа модулятора должна происходить в пределах линейного участка СМХ. Величина напряжения смещения должна соответствовать середине линейного участка, а максимальное значение модулирующегосигнала не должно выходить за пределы линейного участка СМХ. Можно такжеопределить максимальный коэффициент модуляции m max , при котором ещенет искажений. Его величина равна m max U U н .абвРис. 8.9. Характеристики амплитудного модулятораб. Динамическая модуляционная характеристикаДинамическая модуляционная характеристика (ДМХ) – это зависимостькоэффициента модуляции от амплитуды модулирующего сигнала, т.е.m f (U м ) .
Получить эту характеристику можно экспериментальным путем,либо по статической модуляционной характеристике. Вид ДМХ представлен нарис. 8.9,б. Линейный участок характеристики соответствует работе модуляторав пределах линейного участка СМХ.в. Частотная характеристикаЧастотная характеристика – это зависимость коэффициента модуляцииот частоты модулирующего сигнала, т.е.
m f () . Влияние входного трансформатора приводит к завалу характеристики на низких частотах (рис. 8.9,в). Сростом частоты модулирующего сигнала боковые составляющие амплитудномодулированного колебания удаляются от несущей частоты. Это приводит к ихменьшему усилению в силу избирательных свойств колебательного контура, чтообусловливает завал характеристики на более высоких частотах .
Если полосачастот, занимаемая модулирующим сигналом, находится в пределах горизонтального участка 2 1 частотной характеристики, то искажения при модуляции будут минимальны.8.3.4. Балансный амплитудный модуляторДля эффективного использования мощности передатчика применяют балансную амплитудную модуляцию. При этом формируется амплитудномодулированный сигнал, в спектре которого отсутствует составляющая на несущей частоте.Схема балансного модулятора (рис.
8.10) представляет собой сочетаниедвух типовых схем амплитудных модуляторов с определенными соединениямиих входов и выходов. Входы по частоте несущего колебания s н (t ) соединеныпараллельно, а выходы подключены с инверсией относительно друг друга, образуя разность выходных напряжений. Модулирующий сигнал s м (t ) подаетсяна модуляторы в противофазе.
В результате на выходах модуляторов имеемU 1 ( t ) U н (1 m cos t ) cos 0 t и U 2 ( t ) U н (1 m cos t ) cos 0 t ,а на выходе балансного модулятораs вых ( t ) U 1 ( t ) U 2 ( t ) 2U н m cos t cos 0 t U н m cos( 0 ) t U н m cos( 0 ) t .Рис. 8.10. Схема балансного амплитудного модулятораТаким образом, в спектре выходного сигнала имеются составляющие счастотами 0 и 0 . Составляющая с частотой несущего колебания отсутствует.8.4. Амплитудное детектирование8.4.1. Общие сведения о детектированииДетектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочастотного модулированного колебания в напряжение (или ток), которое изменяется по закону модуляции.