Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

11-3. 

ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Амплитудной модуляции свойственны следующие существенные недостатки: 1) приему амплитудно-модулированных сигналов сильно мешают индустриальные и атмосферные помехи; 2) в процессе модуляции лампа используется по мощности полностью только при подаче максимального мгновенного модулирующего напряжения, а во все остальное время она недоиспользуется. Эти недостатки в значительной степени устраняются при частотной и фазовой модуляции. Поскольку амплитуда высокочастотных колебаний при этих видах модуляции остается неизменной, лампу можно все время использовать по мощности полностью. Постоянство амплитуды передаваемого сигнала позволяет срезать в приемном устройстве накладывающиеся на полезный сигнал помехи без искажения модуляции.

При фазовой модуляции фаза колебаний изменяется в зависимости от передаваемого звукового сигнала:

(11-14)

где - величина максимального отклонения фазы колебаний от значения , называемая индексом модуляции, который прямо пропорционален силе звукового сигнала (амплитуде модулирующего напряжения): , где k - коэффициент пропорциональности. Уравнение фазо-модулированных колебаний имеет следующий вид:

(11-15)

При частотной модуляции частота изменяется в соответствии с законом изменения передаваемого звукового сигнала:

(11-16)

где - максимальное значение отклонения частоты от ее среднего значения, называемое девиацией частоты, которая пропорциональна силе звукового сигнала (амплитуде модулирующего напряжения): . График изменения частотио-модулированных колебаний во времени изображен на рис. 11-8.

Рис. 11-8. Частотно-модулированные колебания.

Рассмотрим связь между фазо-модулированными и частотно-модулированными сигналами. Круговая частота колебания равна изменению фазового угла за единицу времени, т.е. представляет собой скорость изменения фазы колебаний. Если круговая частота изменяется, то следует говорить о ее мгновенном значении. Поскольку фаза колебаний при фазовой модуляции изменяется по закону (11-14), т.е. складывается из трех составляющих, одной, изменяющейся с постоянной скоростью , другой, изменяющейся по синусоидальному закону, и третьей - постоянной составляющей , то угловая частота, т.е. скорость изменения фазы, также складывается из скоростей, с которыми изменяются все три ее составляющие. При синусоидальных колебаниях мгновенная скорость изменения колеблющейся величины (см. §2-1) определяется выражением . Поэтому скорость изменения второй составляющей фазы равна . Так как скорость изменения первой составляющей постоянная, а у третьей составляющей - равна нулю, то общая скорость изменения фазы, т.е. угловая частота

(11-17)

Сравнивая это выражение с выражением (11-16) для частоты частотно-модулированных колебаний, нетрудно видеть, что по форме они совершенно идентичны и, следовательно, при фазовой модуляции одновременно возникает частотная модуляция, и наоборот. Девиация частоты при фазовой модуляции

(11-18)

Поскольку пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, то девиация частоты получается пропорциональной не только силе звука, но и его частоте, т.е. при фазовой модуляции высокие звуковые частоты создают большую девиацию частоты, чем низкие. Очевидно, что при частотной модуляции наблюдается обратная картина: индекс возникающей при ней фазовой модуляции обратно пропорционален частоте модулирующего сигнала

(11-19)

т.е. более низкие звуковые частоты создают более глубокую модуляцию, чем высокие. Все сказанное указывает на возможность преобразования одного вида колебаний в другой.

Теоретическое исследование частотно-модулированных и фазо-модулированных колебаний показывает, что они могут быть представлены в виде бесконечной суммы гармонических (синусоидальных) колебаний, частоты которых различаются на частоту модулирующего сигнала:

(11-20)

Иными словами, в случае частотной и фазовой модуляции возникает бесконечный спектр боковых частот. Казалось бы, что передача и прием таких колебаний невозможны. Однако, как показывает анализ, амплитуды боковых частот довольно быстро убывают с увеличением их номера. Это убывание происходит тем быстрее, чем меньше индекс модуляции. Оказывается, что колебания всех боковых частот, номера которых больше индекса модуляции, выраженного в радианах, имеют величину менее 10-15% от амплитуды колебаний несущей частоты и содержат не более 1-2% всей энергии. Поэтому практически с ними можно не считаться.

При индексе модуляции колебания всех боковых частот с номером выше 1 оказываются, столь слабыми, что можно считать их отсутствующими. В этом случае, как видно из выражения (11-20), практически в спектр входят несущая частота и две боковых, т.е. то же, что и при амплитудной модуляции. Такую частотную (или фазовую) модуляцию называют узкополосной.

Однако помехи оказывают меньшее влияние на прием сигналов, у которых . У них номер последней боковой частоты, которую требуется использовать,

(11-21)

В этом случае ширииа спектра

(11-22)

т.е. при широкополосной частотной модуляции, когда , ширина используемого спектра колебаний равна величине удвоенной девиации частоты.

При этом виде модуляции поскольку девиация частоты обычно превосходит частоту модулирующего сигнала, то ширина спектра получается больше, чем при амплитудной модуляции. Последнее обстоятельство не позволяет использовать частотную модуляцию в диапазоне длинных, средних и коротких волн. Практически частотная модуляция применяется в передатчиках метрового диапазона и на более коротких волнах.

Наиболее просто частотную модуляцию осуществляют с помощью электронных ламп, которые благодаря специальному способу включения играют роль переменных реактивных сопротивлений, подключаемых параллельно колебательному контуру генератора с самовозбуждением (в этом случае лампы называют реактивными). Если изменять величину их эквивалентного сопротивления по закону передаваемого сигнала низкой частоты, то резонансная частота контура, а следовательно, и частота генерируемых колебаний будут также изменяться соответственно модулирующему напряжению.

На рис. 11-9, а приведена одна из схем частотной модуляции с реактивной лампой. Лампа, обладающая малой проницаемостью (обычно берется пентод), подключается параллельно колебательному контуру генератора. На ее аноде действует переменное напряжение контура. Лампа играет роль реактивного сопротивления, если протекающий через нее ток сдвинут относительно переменного анодного напряжения на угол 90°. Для создания такого сдвига напряжение в цепь управляющей сетки подают с контура через фазосдвигающую цепочку, состоящую из конденсатора C и активного сопротивления R. Параметры этой цепочки выбираются так, чтобы она в минимальной степени шунтировала колебательный контур, а реактивное сопротивление конденсатора было бы во много раз больше сопротивления R, т.е.

(11-23)

Блокировочные конденсаторы Cб, имеющиеся в схеме, должны обладать столь малым сопротивлением для токов высокой частоты, что их можно считать практически коротким замыканием.

Рис. 11-9. Частотная модуляция с помощью реактивной лампы.
а - схема; б - векторная диаграмма.

Если вектор напряжения на контуре Uk = Ua в некоторый момент времени занимает вертикальное положение (рис. 11-9, б), то вектор тока I в цепочке RC, имеющий емкостный характер, опережает вектор Ua на 90° и, следовательно, расположен горизонтально. Величина этого тока

(11-24)

Этот ток создает на активном сопротивлении R напряжение

(11-25)

совпадающее по фазе с током I и являющееся переменным напряжением, действующим в сеточной цепи лампы.

Благодаря тому что лампа обладает очень малой проницаемостью, ее анодный ток определяется практически только сеточным напряжением. Амплитуда первой гармоники анодного тока

(11-26)

где Sср - средняя крутизна лампы.

Вектор первой гармоники анодного тока имеет то же направление, что и вектор напряжения на сетке.

Векторная диаграмма показывает, что первая гармоника анодного тока лампы опережает на 90° анодное напряжение, иными словами, лампа ведет себя аналогично обычному конденсатору. Его эквивалентное сопротивление

(11-27)

откуда емкость конденсатора, эквивалентного лампе,

(11-28)

При модуляции необходимо изменять эту емкость, подключенную параллельно контуру генератора. Для этого изменяют среднюю крутизну лампы путем изменения напряжения смещения (при использовании лампы на линейном участке ее статических характеристик крутизна остается неизменной и модуляция оказывается невозможной). Для изменения смещения по закону звукового сигнала в цепь управляющей сетки лампы последовательно с постоянным источником смещения включена вторичная обмотка трансформатора, к первичной обмотке которого подводится напряжение сигнала. Используются и другие схемы включения реактивных ламп, но принцип их действия в общем не отличается от описанного выше.

Фазо-модулированные колебания принципиально возможно получить путем сложения двух высокочастотных колебаний, сдвинутых по фазе на 90°, одно из которых промодулировано по амплитуде (рис. 11-10, а). При этом фаза результирующего вектора изменяется в зависимости от амплитуды колебания, модулированного по амплитуде.

Рис. 11-10. Получение фазо-модулированных колебаний.
а - путем сложения высокочастотного колебания с амплитудно-модулированным колебанием;
б - путем сложения высокочастотных колебаний с колебаниями биений.

Однако большое отклонение фазы таким способом получить не удается из-за нарушения пропорциональности между фазой результирующего напряжения и амплитудой модулированного напряжения. Вдвое большее изменение фазы можно получить в том случае, если модулированное по амплитуде напряжение при переходе через нуль будет изменять свою фазу на 180°. Результат сложения векторов в этом случае показан на рис. 11-10, б.

С колебаниями такого типа мы встречались при анализе состава амплитудно-модулированных колебаний: это колебания, получаемые при биении двух колебаний с боковыми частотами. Каким же образом можно выделить в чистом виде колебания биений? Очевидно, что для этого достаточно уничтожить в составе амплитудно-модулированного сигнала колебания несущей частоты. Последнего можно добиться, если составить схему из двух генераторов с сеточной модуляцией, модулированных в противофазе и работающих на общую нагрузку. Такая схема (рис. 11-11) носит название двухтактной, или балансной, так как в ней модулирующее напряжение подается от трансформатора Тр2 в цепь сеток ламп в противофазе и лампы попеременно запираются и отпираются.

Рис. 11-11. Схема балансного модулятора.

Напряжение высокой частоты с помощью трансформатора Тр1 через блокировочные конденсаторы C малой емкости подаются на управляющие сетки ламп в одинаковой фазе. Поэтому если уравнение для анодного тока модулированных колебаний одной из ламп будет выражаться зависимостью

 

то для второй лампы оно будет:

 

Оба тока протекают по общей нагрузке в противоположных направлениях, следовательно, напряжения, создаваемые ими на контуре, вычитаются:

(11-29)

Полученное напряжение представляет собой колебания биений, создаваемых боковыми частотами [ср. с (11-11)].

В передатчике, в котором фазовая модуляция осуществляется при помощи балансного модулятора (рис. 11-12), колебания с выхода последнего через фазосдвигающую схему (фазоинвертор), поворачивающую их фазу на 90°, подаются на смеситель - устройство, где происходит сложение их с колебаниями постоянной амплитуды, подаваемыми от генератора с самовозбуждением (автогенератора). С помощью такой схемы можно осуществлять и частотную модуляцию. Для этого достаточно, чтобы коэффициент усиления усилителя низкой частоты был обратно пропорционален частоте. При фазовой модуляции девиация частоты

 

Если амплитуда напряжения, снимаемого с усилителя,

 

где Pзв - звуковое давление на микрофон, то

 

где k1 и k2 - коэффициенты пропорциональности.

Следовательно, девиация частоты получается пропорциональной звуковому давлению и не зависит от частоты модуляции.

Рис. 11-12. Структурная схема передатчика с фазовой модуляцией.

Метод получения частотно-модулированных колебаний из фазо-модулированных называют косвенным методом частотной модуляции. Его существенным преимуществом перед прямым методом частотной модуляции является отсутствие непосредственного воздействия на генератор с самовозбуждением, что позволяет получить более высокую стабильность средней частоты. Однако осуществление косвенного метода частотной модуляции связано со значительным усложнением схемы.

Отклонение частоты, получаемое с помощью реактивных ламп, невелико: обычно оно составляет десятые доли процента. Вместе с тем для ряда практических приложений необходимо иметь возможность перестраивать генераторы путем изменения напряжения в гораздо более широких пределах. В настоящее время эта задача решается несколькими способами. Наиболее просто электронная перестройка осуществляется с помощью ферритовых вариометров и полупроводниковых диодов.

Индуктивность катушек с намагничивающимися сердечниками пропорциональна магнитной проницаемости сердечника . В режиме насыщения , а на линейном участке кривой намагничивания (рис. 11-13). На радиочастотах вплоть до сантиметровых волн широко используются магнитодиэлектрики, особенно ферриты. Обладая очень большой магнитной проницаемостью, достигающей нескольких сотен единиц, они имеют очень малую электрическую проводимость (в 1010-1012 раз меньшую, чем металлы). Благодаря этому переменные магнитные поля практически не наводят в них вихревых токов, и потери на нагрев сердечников катушек из феррита очень малы.

Рис. 11-13. Характеристика намагничивания ферромагнитного сердечника.

Если в контуре автогенератора, определяющем частоту, использовать катушку с ферритовым сердечником, снабженную дополнительной подмагничивающей обмоткой (рис. 11-14), то изменение тока Iп в последней будет приводить к изменению индуктивности катушки L, а следовательно, и рабочей частоты генератора. С помощью таких несложных схем удается изменять частоту генерируемых колебаний в несколько раз. Недостатком их является сильное влияние температуры на частоту и нелинейная зависимость ее от тока подмагничивания.

Рис. 11-14. Схема генератора, перестраиваемого путем подмагничивания ферритового сердечника контурной катушки.

Меньшие пределы изменения частоты получаются в генераторах, параметры контуров которых изменяют, воздействуя на емкость p-n-перехода полупроводниковых приборов. Известно, что емкость запертого p-n-перехода может изменяться от действующего на нем напряжения в среднем от единиц до десятков (или от десятков до сотен) пикофарад. Если присоединить параллельно контуру автогенератора полупроводниковый диод Д, запертый напряжением постоянного источника E (рис. 11-15), то с помощью включенного последовательно с ним источника переменной э.д.с. можно производить изменение частоты генерируемых колебаний. В такой схеме удается изменять частоту на десятки процентов. Нелинейность и сильная зависимость от температуры несколько ограничивают использование этого очень простого способа частотной модуляции.

Рис. 11-15. Электронная перестройка генератора путем изменении емкости p-n-перехода полупроводникового диода.
В этой главе:
11-1. ПОНЯТИЕ О ПРЕОБРАЗОВАНИИ КОЛЕБАНИЙ
11-2. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
11-3. ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
11-4. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
11-5. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
11-6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
11-7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Приставка к вольтметру для измерения параметров полевых транзисторов.

При проектировании схем на полевых транзисторах их параметры лучше знать заранее, точный подбор пары полевых транзисторов по их статическим параметрам...

Доставка "Почтой России"...

webmaster@radio-1895.ru