Амплитудные и частотные модуляторы

     Содержание 
 

     Введение          

Модулятор в радиотехнике и дальней связи, устройство, осуществляющее модуляцию — управление параметрами высокочастотного электромагнитного переносчика информации в соответствии с электрическими сигналами передаваемого сообщения. Модулятор является составной частью главным образом передающих устройств электросвязи и радиовещания. Переносчиком информации обычно служат гармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей или поднесущей) Модулятор 10⁴—10¹⁵ гц. В зависимости от того, какой параметр гармонических колебаний или волн изменяется, различают амплитудную, частотную, фазовую или смешанную (например, при однополосной передаче) модуляцию колебаний. Соответственно различны и виды Модуляции. При импульсно-кодовой модуляции переносчиком информации служит регулярная последовательность электрических импульсов, параметрами которых (амплитуда, ширина, частота или фаза повторений) управляют с помощью соответствующих типов импульсных Модуляторов. Модулирующие электрические сигналы передаваемого сообщения могут иметь самую разнообразную форму: от простых и медленных телеграфных посылок в виде точек и тире или колебаний звукового диапазона частот при передаче речи и музыки до сложных, быстро изменяющихся сигналов, применяемых в телевидении или в многоканальной проводной и радиорелейной связи. Часто в функцию модулятора входит также усиление модулирующих колебаний.         

 Непременное требование к модуляции состоит в том, что модулирующее колебание должно изменяться во времени значительно медленнее модулируемого. Поэтому в любом модуляторе сочетаются взаимодействующие цепи модулируемых колебаний или волн с цепями модулирующего сигнала более низкой частоты. Определяющим в модуляторе является управляющий элемент, посредством которого сигнал воздействует на параметры модулируемых колебаний или волн. Электронная лампа как универсальный управляющий элемент сохранилась к 1974 главным образом в модуляторе мощных радиопередающих устройств (для них специально разработаны т. н. модуляторные лампы). При мощностях передатчиков ≤ 0,5 квт лампы успешно вытесняются Транзисторами и другими полупроводниковыми приборами. В устройствах, работающих на СВЧ, наряду с полупроводниковыми приборами используются клистроны, лампы бегущей волны и др. О М. в оптическом диапазоне волн. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Амплитудная  и частотная модуляция: основные понятия, параметры

характеристики 

1.1.Амплитудная  модуляция 

     Радиочастотные  колебания характеризуются тремя  параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны соотношением i = I_Hcos(ωt + φ).

Для осуществления  модуляции необходимо изменять во времени один из параметров радиочастотного колебания в соответствии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания  изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

     Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амплитуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амплитуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

     Передаваемое  колебание,  например речь, музыка, является сложным колебанием. И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амплитуд, частот и фаз.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним  тоном частоты Ω, т. е. когда перед микрофоном звучит однотонное колебание одной частоты. График его можно представить в виде гармонического (синусоидального или косинусоидального) колебания, как показано на рис. 1, а аналитически записать выражением u_Ω=U_Ω cos Ωt. При амплитудной модуляции по закону изменения модулирующего колебания, в данном случае по закону cos Ωt, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рис. 1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рис. 1).  
 
 
 
 

Рис. 1. Временная  диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

     Изменение амплитуды радиочастотных колебаний математически можно выразить следующим образом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируемого каскада до модуляции имеет вид i = I_НЕСсоsω_Ht. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока I_НЕС получает приращение ΔI_НЕС, причем это приращение изменяется по закону изменения модулирующего сигнала ΔI_НЕС cos Ωt. m <1(a), m=1(б), m>1(в,г)  Тогда выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид  i = ( I_НЕС + ΔI_НЕС cos Ωt) соsω_Ht. Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока модулированных колебаний, получаем  i = I_НЕС ( 1 + ΔI_НЕС / I_НЕС cos Ωt) соsω_Ht = I_НЕС ( 1 +  m cos Ωt) соsω_Ht .

     Отношение приращения амплитуды тока несущей  частоты при модуляции ΔI_НЕС к его значению до модуляции I_НЕС  обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глубиной модуляции.

Значение  коэффициента глубины модуляции  m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука. При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения модулирующего сигнала m= aU_Ω, где a — коэффициент пропорциональности.  

Рис. 2. Графики  амплитудно-модулированных при различной  глубине модуляции 

     На  рис. 2 приведены временные диаграммы  амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. При    m = 0 модуляции нет. При m = 0,5 (50%) амплитуда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает изменение амплитуды радиочастотных колебаний до половины первоначального значения. При m  = l ( U_Ω= U_ω)  (стопроцентная модуляция) амплитуда радиочастотных колебании увеличивается в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулированных колебаний точно (без искажении) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сигнала m > l (U_Ω > U_ω ) получается перемодуляция. Во время отрицательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рис. 2,б) и форма огибающей модулированных колебаний искажается. Возникают нелинейные искажения формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществления амплитудной модуляции без искажений коэффициент модуляции m не должен превышать единицы.

Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде:

I =I_{а нес}cos ω_неct+0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc + Ω) t + 0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc - Ω) t.

Видно, что промодулированное по амплитуде  колебание является сложным и состоит из трех составляющих:

1) колебания  несущей частоты ω_неc  с амплитудой I_{а нес} , такой же, как и до модуляции;

2) колебания  с частотой ω_неc + Ω и амплитудой 0,5 I_{а нес} , называемого колебанием верхней боковой частоты;

3) колебания  с частотой ω_неc - Ω  и амплитудой 0,5 I_{а нес} , называемого колебанием нижней боковой частоты.

      Графически спектр колебаний, промодулированных  по амплитуде низкочастотным колебанием одной частоты Ω , можно изобразить, как показано на   рис. 3,а. Видно, что при амплитудной модуляции одним тоном частоты и спектр модулированного колебания содержит три гармонических колебания — несущую и два боковых, каждое из которых находится на расстоянии, равном частоте модулирующего колебания. 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                   Рис.3. Спектр частот при амплитудной модуляции

     Но  речь или музыка являются сложными колебаниями. Их можно представить состоящими из гармонических колебании. Тогда при модуляции сложным колебанием модулированное колебание содержит столько нижних и верхних боковых составляющих, сколько их имеется в спектре модулирующего сигнала. В результате в составе модулированного колебания будет две полосы частот: нижняя боковая и верхняя боковая (рис. 3,б).

1.2.Частотная  модуляция

     Частотная модуляция - вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной. Частотная модуляция применяется для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах. Высокое качество кодирования аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая посравнению с шириной спектра сигнала АМ девиация несущего сигнала, а в приемной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех. При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту. То есть, если уровень сигнала увеличивается, то частота растет, и наоборот. Из-за  этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире. Соответственно, хорошая погодоустойчивость, но необходимо использовать высокочастотные диапазоны вещания.                                                                                          

 
                                                                         Пример частотной модуляции. Вверху —

                                                                         информационный сигнал на фоне несущего

                                                                         колебания.

                                                                        Внизу — результирующий сигнал 

Рис.4 

     Частотная  модуляция требует значительной ширины полосы частот  и,  как  следствие,  используется только при несущих с частотами 100 МГц и выше.

Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные  возмущения  (статические),тепловые шумы в  лампах  и  сопротивлениях  или  любые  другие  шумы,  имеют меньшую возможность влиять на прием, чем  в  случае  AM.  Основной  причиной этого  является  попросту  тот  факт,  что  большинство   шумов   амплитудно-модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям  амплитуды, практически   устраняем   эту   нежелательную   модуляцию.    Восстановление информационного   сигнала   из   ЧМ-волны   связано   лишь    с    частотным детектированием, при котором  выходной  сигнал  зависит  лишь  от  изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство  приемников  содержит усилитель-ограничитель,  который  поддерживает  постоянную   амплитуду   ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.

      Существуют различные методы  ЧМ-детектирования  и  селекции.  В  основе большинства методов лежит  использование  наклона  частотной  характеристики.

       В методе частотной  модуляции амплитуда  модулирующего  сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не  вносит  изменений  в амплитуду несущей. Следовательно, форма  напряжения 

модулированной  несущей может быть выражена в виде Uчм=Анcos[(нt+((sin((мt)] ,  где (н и м - соответственно несущая частота и частота модуляции, A  индекс модуляции).                   

      Частоты модулированного колебания могут быть  получены  из

выражения cos[(нt+sinмt)] с использованием тригонометрических  формул  и специальных таблиц (функции Бесселя)..

      Индекс  модуляции    определяется  как  н/м = fн/fм   -   отношение

максимальной  частоты  за  один период  модулирующего сигнала  к частоте модуляции.

2.Амплитудный и частотный модуляторы 

2.1. Амплитудный модулятор

                                                         Рис.5   
 

      Рис. 5. Транзисторные амплитудные модуляторы: а — базовый; б — коллекторный; u_ВЧ — напряжение модулируемых колебаний: Tp — низкочастотный трансформатор; C₁, С₂, L₁ — конденсаторы и катушка индуктивности развязывающих цепей по высоким и низким частотам; R и R₁ — резисторы делителя постоянного напряжения в цепи питания транзистора; Е_К — напряжение, подаваемое на коллектор транзистора. Транзистор Т с резонансным контуром из катушки индуктивности L и конденсатора С образуют управляемый усилитель колебаний с несущей частотой, коэффициент усиления которого изменяется при изменении u_M.

2.2.Частотный  модулятор 

      В общем виде частотный модулятор – это генератор (ГУН), частота колебаний которого управляется напряжением, подаваемым на вход модулятора. Наиболее распространенный способ частотной модуляции заключается в воздействии на реактивные элементы колебательного контура, задающего частоту колебаний самовозбуждающегося LC генератора.

Удобным современным элементом, применяющимся  для этих целей, является варикап. Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость p-n перехода которого имеет сильно выраженную зависимость от приложенного напряжения. Для работы в качестве управляемой емкости используется обратная ветвь характеристики диода, так как при этом получается высокая добротность и температурная стабильность элемента.

     На  рис.6 показана одна из многих возможных схем LC генератора, которая может выполнять функции частотного модулятора. Здесь транзистор VT1 включен по схеме с общей базой. Резисторы R1, R2 и R3 задают режим транзистора по постоянному току. Положительная обратная связь осуществляется за счет внутренней емкости коллектор-эмиттер транзистора VT1 и емкости С1. Частота генерации определяется параметрами параллельного LC контура, состоящего из индуктивности L1, емкостей варикапов VD1, VD2 и коллекторной емкости транзистора. Для уменьшения паразитных реактивностей и упрощения схемы контур заземлен по постоянному току. Применение двух, включенных встречно, варикапов позволяет улучшить форму напряжения, вырабатываемую генератором, приближая ее к синусоидальной. Через резистор R4 и дроссель Др2 на варикапы подается запирающее напряжение смещения Есм, которое задает рабочую точку варикапов. 
 
 

                                                       Рис.6 

     Модулирующее  напряжение поступает через развязывающий  конденсатор С3. Под воздействием модулирующего напряжения меняется емкость варикапов и, следовательно, частота колебаний, вырабатываемая генератором. На рис.7 показана типовая характеристика высокочастотного варикапа. Подобной характеристикой обладают приборы типа КВ-102, КВ-109, КВ-121 и др.

                                                            Рис.7

     Известно, что связь между резонансной  частотой контура и емкостью конденсатора квадратичная. 

.

     Следовательно, для получения линейной частотной  модуляции необходимо иметь квадратичную зависимость емкости и напряжения. Из рисунка видно, что характеристика варикапа близка к квадратичной зависимости. Однако совпадение не полное и практически линейную модуляцию можно получить только на небольшом участке характеристики, выбираемом при настройке модулятора индивидуально для различных экземпляров варикапов. Рис.8 иллюстрирует процесс изменения емкости варикапа в зависимости от приложенного напряжения. Удовлетворительная линейность получается при девиации частоты, не превышающей 0,5–1,5% от центральной частоты модулятора. Следовательно, при частоте 70 МГц девиация частоты составит 0,5–0,7 МГц, что явно недостаточно для широкополосной системы связи.

                                                            Рис.8 

3.Структурная  схема лабораторного  стенда 

Рис.9

Лабораторная  установка состоит из генератора низкочастотных колебаний (ГНЧ), генератора высокочастотных колебаний (ГВЧ), амплитудного модулятора (АМ) и электронного осциллографа (ЭО). При определении параметров периодического сигнала используется одноканальный режим работы осциллографа.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Принципиальные  схемы модулей  стенда

4.1. Принципиальная схема генератора низкой и высокой   частоты

     Простой генератор сигналов низкой и высокой  частоты предназначен для налаживания  и проверки различных приборов и  устройств.

Генератор низкой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 26 Гц до 400 кГц, который разделен на пять поддиапазонов (26...240, 200...1500 Гц: 1.3...10, 9...60, 56...400 кГц). Максимальная амплитуда выходного сигнала 2 В. Коэффициент гармоник во всем диапазоне частот не превышает 1,5%. Неравномерность частотной характеристики - не более 3 дБ. С помощью встроенного аттенюатора можно ослабить выходной сигнал на 20 и 40 дБ. Предусмотрена также плавная регулировка амплитуды выходного сигнала с контролем ее по измерительному прибору.

Генератор высокой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 140 кГц до 12 МГц (поддиапазоны 140...340, 330...1000 кГц, 1...2,8,2,7...12МГц).

     Высокочастотный сигнал может быть промодулирован по амплитуде сигналом как с внутреннего  генератора НЧ. так и с внешнего.

Максимальная  амплитуда выходного напряжения 0,2 В. В генераторе предусмотрена плавная регулировка выходного напряжения с контролем амплитуды по измерительному прибору.

     Напряжение  питания обоих генераторов 12 В. Принципиальная схема прибора показана на рис. 5 
 
 
 
 
 

Рис.10

     Генератор низкой частоты построен на основе хорошо известной схемы. Частоту генерируемого сигнала изменяют сдвоенным конденсатором переменной емкости С2. Применение блока конденсаторов переменной емкости для генерации низких (30...100 Гц) частот потребовало высокого входного сопротивления усилителя генератора. Поэтому сигнал с моста поступает на потоковый повторитель на полевом транзисторе V1, а затем на вход двухкаскадного усилителя с непосредственными связями (микросхема А1). С выхода микросхемы сигнал подается на выходной эмиттерной повторитель на транзисторе V3 и на вторую диагональ моста. С резистора R16 сигнал подается на выходной делитель напряжения (резисторы R18-R22) и на измерительный прибор PU1. по которому контролируют амплитуду выходного сигнала.

     На  полевом транзисторе V2 собран каскад стабилизации амплитуды выходного напряжения, работающий следующим образом. Выходной сигнал с эмиттера транзистора V3 выпрямляется диодами (V4, V5), и постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде, выходного сигнала, подается на затвор транзистора V2, играющего роль переменного сопротивления. Если, например, по каким-либо причинам (изменилась или температура окружающей среды или напряжение питания и т. п.) амплитуда выходного сигнала увеличилась, то увеличится и положительное напряжение, поступающее на затвор транзистора V2. Динамическое сопротивление канала транзистора также увеличится, что приведет к увеличению коэффициента отрицательной обратной связи в микросхеме А1, коэффициент усиления последней уменьшится, что приведет к восстановлению амплитуды выходного сигнала.

Связь между истоковым повторителем на транзисторе V1 и входом микросхемы А1 гальваническая. Это позволило  исключить переходный конденсатор  большой емкости и улучшить фазовую  характеристику генератора. Построечным резистором R12 устанавливают оптимальный коэффициент передачи.

     Генератор высокой частоты выполнен на трех транзисторах V10-V12. Задающий генератор  собран на транзисторе V11, включенном по схеме с общей базой. Каскад каких-либо особенностей не имеет. Требуемый диапазон выбирают переключением контурных катушек. Внутри поддиапазона частоту плавно изменяют конденсатором переменной емкости С14. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе V12. Сигнал на него подают с части витков контурной катушки, что дополнительно уменьшает влияние нагрузки на стабильность частоты генератора.

     С резистора R35 высокочастотное напряжение поступает на выпрямитель (диоды V13, V14), и выпрямленное напряжение через  резистор R37 поступает на измерительный  прибор PUI, по которому контролируют напряжение выходного сигнала.

     На  транзисторе V10, включенном по схеме  с общим эмиттером, собран модулирующий каскад. Его нагрузкой является задающий генератор. Таким образом, задающий генератор работает при переменном напряжении питания, поэтому и амплитуда выходного напряжения генератора также меняется, в результате чего происходит амплитудная модуляция. Такое построение генератора позволило получить глубину модуляции от 0 до 70%. Низкочастотный сигнал на модулятор можно подавать как с внутреннего, так и с внешнего генератора.

     Питаются  оба генератора от выпрямителя со стабилизатором рис.6, выполненного по типовой схеме.

     Оба генератора и сетевой источник питания выполнены в виде отдельных блоков, установленных в общем корпусе. Общим для генераторов является также и измерительный прибор PU1. Блок высокочастотного генератора закрывают экраном из латуни. Вместо транзистора КП103Л можно применить КП102Е. Эта замена может даже несколько улучшить параметры генератора.

     Налаживание генератора НЧ начинают с подбора  резистора R11. Для этого размыкают  цепь R12, R13. Высокоомным вольтметром  измеряют напряжение на входе микросхемы А1 (вывод 4). Затем, подбирая резистор R11 в пределах от 300 Ом до 1,5 кОм, добиваются такого же напряжения на истоке транзистора V1. Если этого не удается сделать, следует подобрать транзистор V1. Может получиться так, что подобрать такой транзистор не удастся, тогда следует развязать по постоянному току вход микросхемы с истоком транзистора V1, включив в разрыв цепи конденсатор емкостью 50 мкФ. Восстановив разомкнутую цепь, изменяют сопротивление резистора R12 так, чтобы получить на выходе генератора сигнал без искажений, контролируя его форму по осциллографу. При дальнейшем уменьшении сопротивления этого резистора должно наступить симметричное ограничение сигнала. Установив амплитуду выходного сигнала около 2В и подобрав необходимое сопротивление резистора R17 в цепи PU1, налаживание генератора НЧ считают законченным.

     Налаживание генератора ВЧ начинают с модулирующего  каскада. Подбирая резистор R23, устанавливают  на коллекторе транзистора V10 напряжение 6,2 В налаживание задающего генератора состоит в подборе резистора R31 в цепи положительной обратной связи. При этом по осциллографу контролируют форму выходного сигнала. Делают это на низкочастотном поддиапазоне. Если позволяют параметры осциллографа, проверку делают и на других частотных поддиапазонах. Затем подбирают резистор R37 в цепи измерительного прибора.