Формирование радиосигналов с амплитудной модуляцией. (Лекция 6)

1. ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОСИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

2. 1 Классификация видов модуляции, основные характеристики радиосигналов.

Для осуществления радиосвязи необходимо каким-то образом
изменять один из параметров радиочастотного колебания, называемого
несущим, в соответствии с передаваемым низкочастотным сигналом. Это
достигается с помощью модуляции радиочастотного колебания.
Известно, что гармоническое колебание
u = Ucos( t+ )
характеризуется тремя, независимыми параметрами: амплитудой,
частотой и фазой.
Соответственно различают три основных вида модуляции:
- амплитудная,
- частотная,
- фазовая.
Амплитудной модуляцией (АМ) называют такой вид воздействия на
несущее колебание, в результате которого его амплитуда изменяется по
закону передаваемого (модулирующего) сигнала.

3.

Считаем, что модулирующий сигнал имеет вид гармонического колебания с
частотой
u = U cos t,
много меньшей частоты несущего колебания .
В результате модуляции амплитуда напряжения несущего колебания
должна изменяться пропорционально напряжению модулирующего сигнала u
(рис. 1):
UAM = U + kU cos t = U + Ucos t,
(1)
где U - амплитуда напряжения несущего радиочастотного колебания;
U=kU - приращение амплитуды.

4.

Уравнение амплитудно-модулированных колебаний, в этом
случае, принимает вид
u AM = UAM cos t = (U + Ucos t) cos t = U (1+ ΔU/U cos t)
cos t
(2)
По такому же закону будет изменяться и ток iAM при
модуляции.
Величина, характеризующая отношение величины изменения амплитуды колебаний U к их амплитуде в отсутствии
модуляции U, называется коэффициентом (глубиной)
модуляции
U U max U min
m
(3)
U
U max U min
Из этого следует, что максимальная амплитуда колебаний
Umax = U + U = U (1+m)
минимальная амплитуда Umin= U (1-m).

5.

Из уравнения (2) видно, что в простейшем случае
модулированные колебания представляют собой сумму трех
колебаний
UAM = U(1+ mcos t)cos t =
Ucos t + m cos( - )t + m cos( + )t
Первое слагаемое – колебания передатчика в отсутствии
модуляции (режим молчания). Вторые – колебания боковых
частот.

6.

7.

Если модуляция осуществляется сложным низкочастотным
сигналом со спектром от Fmin до Fmax , то спектр полученного АМ
сигнала имеет вид, изображенный на рис. Занимаемая АМ сигналом полоса частот Δfс не зависит от m и равна
Δfс = 2Fmax
(5)
Возникновение колебаний боковых частот при модуляции
приводит к необходимости расширения полосы пропускания
контуров передатчика (и, соответственно, приемника). Она должна
быть
f
f k 2 f
2Fmax
(6)
Q
где Q - добротность контуров,
f - абсолютная расстройка,
fк - полоса пропускания контура.
На рис. спектральные составляющие, соответствующие нижним
модулирующим частотам (Fmin) имеют меньшие ординаты.

8.

Это объясняется следующим обстоятельством. У большинства
видов сигналов (например, речевых), поступающих на вход
передатчика, амплитуды высокочастотных составляющих спектра
малы по сравнению с составляющими низких и средних частот.
Что касается шумов на входе детектора в приемнике, то их
спектральная плотность постоянна в пределах полосы
пропускания приемника. В результате коэффициент модуляции и
отношение сигнал-шум на входе детектора приемника для высоких
частот модулирующего сигнала оказываются малыми.
Для увеличения отношения сигнал-шум высокочастотные
составляющие модулирующего сигнала при передаче
подчеркиваются путем усиления высокочастотных составляющих в
большее число раз по сравнению с составляющими низких и
средних частот, а при приеме до или после детектора во столько
же раз ослабляются.
Ослабление высокочастотных составляющих до детектора
происходит практически всегда в высокочастотных резонансных
цепях приемника.
Необходимо отметить, что искусственное подчеркивание
верхних модулирующих частот допустимо, пока оно не приводит к
перемодуляции (m > 1).

9.

10. Основные энергетические показатели каскадов при амплитудной модуляции.

В процессе модуляции напряжение и ток
изменяются в соответствии с (2). Тогда средняя
мощность за период высокой частоты при
амплитудной модуляции
1 2
PAM
u AMi AMd( t )
2 0
(7)
1 2 U 2
2
2
2
(
1
m
cos
t
)
cos
td
(
t
)
P
(
1
m
cos
t
)
2 0 R э
U2
P
где 2R э
средняя мощность за
период высокой частоты в режиме молчания,
Rэ - сопротивление нагрузки для активного
элемента каскада, в котором осуществляется
модуляция.

11.

Мощность в максимальном и минимальном режимах при
АМ выражается через мощность в режиме несущей частоты
согласно (7) когда cos t = 1
Рmax = Р(1+ m)2;
Рmin = Р(1 m)2.
При m = 1 мощность в максимальном режиме в 4 раза
больше, чем в режиме несущей частоты, а в минимальном
равна нулю. Средняя мощность за период модулирующего
напряжения (телефонная мощность)
2
1 2
m
2
PТ
P
(
1
m
cos
t
)
d( t ) P(1 )
2 0
2
(8)
При m = 1 мощность в телефонном режиме в 1,5 раза
превосходит мощность в режиме несущей частоты. Из
соотношения (8) можно установить, что мощность обеих
боковых полос, в которых заключена передаваемая
информация, определяется соотношением
P
m2
P
2
Энергетические характеристики генератора при АМ в
течение длительного отрезка времени работы определяются
некоторыми среднестатистическими параметрами
информационного сигнала.
(9)

12.

Оценим среднестатистические характеристики
работающего генератора введя некоторый
усредненный коэффициент глубины модуляции mср,
значения которого определяются следующим образом
(10)
2m max
m ср
p
где р - пик-фактор, представляющий собой
отношение максимального и среднего действующего
(эффективного) значений напряжения или тока
модулирующего сигнала.

13.

14.

Для наиболее распространенных
информационных сигналов (музыкальных и
речевых) значения р лежат в пределах 3,5...4.
Полагая
m max = 1, получим: mср =
0,35...0,4. Это означает, что мощность обеих
боковых полос, которая в соответствии с (9)
равна
m2
P
ср
2
P,
составляет всего лишь около 5-10% от
мощности генератора в максимальном режиме
Рmax = 4Р. Такие низкие энергетические
показатели являются серьезным недостатком
АМ.

15. Структурные и принципиальные схемы осуществления амплитудной модуляции

Различают модулятор и модуляционное устройство.
Модуляционное устройство – устройство, которое
вырабатывает модулирующее напряжение, управляющее
изменением информационного параметра ВЧ колебания. В
РПдУ СС с АМ таким устройством обычно является УЗЧ,
который усиливает сигнал, например с микрофона.
Модулятор – устройство, в котором непосредственно
осуществляется модуляция.
Рассмотрим процесс АМ с точки зрения теории ГВВ. При
осуществлении АМ необходимо обеспечить линейную
зависимость изменения амплитуды первой гармоники
тока на выходе каскада от амплитуды модулирующего
напряжения. Изменение амплитуды тока осуществляется
изменением одного из параметров выходного каскада (ВК).

16.

Для ламповых ВК на триоде различают способы
осуществления АМ:
Сеточная модуляция смещением.
Модуляция внешним возбуждением.
Анодная модуляция.
Модуляция изменением величины сопротивления
нагрузки.
Кроме названных способов осуществляют
комбинированные способы (двойная модуляция),
например, анодно-сеточная модуляция.
Для транзисторных ВК различают способы
осуществления АМ:
Базовая модуляция смещением.
Модуляция возбуждением.
Коллекторная модуляция.
Наибольшее применение находят коллекторная и
коллекторно-базовая модуляции.

17.

Качество амплитудной модуляции оценивается
модуляционными характеристиками (статическими и динамическими), коэффициентом нелинейных искажений.
Статическая модуляционная характеристика представляет
собой зависимость первой гармоники тока (анодного/коллекторного) от изменения постоянного напряжения на электроде, по
которому производится модуляция. Например, при сеточной
модуляции смещением изменяется напряжение смещения на
управляющей сетке Ес(t) и статическая модуляционная характеристика имеет вид:

18.

По статическим модуляционным характеристикам выбирают
исходный режим работы модулируемого каскада для обеспечения
наименьших нелинейных искажений.
Динамические модуляционные характеристики (амплитудная и
частотная) позволяют оценить качество модуляции в реальных
условиях - при воздействии на модулируемый каскад переменного
модулирующего напряжения U .
Амплитудной динамической модуляционной
характеристикой называют зависимость коэффициента
модуляции от амплитуды модулирующего напряжения m = (U )
при заданной частоте модуляции (обычно при F = 400 Гц).
Типичный вид такой характеристики изображен на рис.

19.

Амплитудная динамическая модуляционная характеристика
снимается для положительного и отрицательного полупериодов
модулирующего напряжения U , т.е. снимаются m+ = (U ) и m
= (U ). Совпадение m+ и m говорит о симметричности
модуляции, а следовательно, о малых нелинейных искажениях.
Частотной динамической модуляционной характеристикой
называют зависимость коэффициента модуляции от частоты
модулирующего напряжения m = ( ) при заданной амплитуде
этого напряжения. Один из примеров подобных характеристик
приведен на рис.

20.

Коэффициент нелинейных искажений связан с
характеристикой качества формирования АМ сигнала –
разборчивостью речи (артикуляцией) и определяется
формулой
КНИ
A 22 A 32 A 24 ...
A1
где А - амплитуда соответствующих гармоник тока или
напряжения в спектре огибающей сигнала после
модуляции.
У радиовещательных станций КНИ равен (1...2%), у
служебных - до 15%.
Артикуляция (разборчивость) определяется
отношением числа правильно принятых слов к общему
числу переданных слов. Артикуляция дает итоговую
оценку качества работы передатчика.

21. Анализ модуляции смещением проведем применительно к ламповому модулятору.

22. Рассмотрим графики токов и напряжений, поясняющие работу модулятора при сеточной модуляции смещением.

23.

Если изменять напряжение смещения линейно от Есmin до Есmax Uc =
const импульсы анодного тока будут линейно нарастать по амплитуде,
т.е. при модуляции напряжением смещения изменяется угол отсечки и
амплитуда импульсов анодного тока.
На рис. показана статическая модуляционная характеристика Ia1 = f
(Ec), и характеристика Iao = f (Ec). По этим характеристикам выбирается
начальное напряжение смещения, т.е. значение Ес в режиме молчания
(без модуляции).
Если напряжение смещения изменять по гармоническому закону, то
результирующее напряжение на сетке лампы будет
ес = Ec+U cos t + Uсcos t.
В результате огибающая импульсов анодного тока также будет
изменяться по гармоническому закону, а напряжение на выходном
контуре будет иметь вид АМ колебаний.
Можно показать, что косинус угла отсечки в пределах изменения угла
= 40...110 пропорционален напряжению смещения (первая гармоника
анодного тока также линейно связана с cos(θ): Ia1 = SUc(1 - cos(θ))α1 ).
Следовательно, в указанных пределах между Ia1 и напряжением
смещения существует линейная зависимость, позволяющая производить
неискаженную модуляцию.

24.

Для нормальной работы модулятора номинальная полезная
мощность активного элемента (лампы, транзистора) должна быть
не менее мощности Рmax
Рном Рmax = Р(1+m)2.
Максимальное значение мощности потребляемой от источника
питания
Ро max = Iао max Еа = Ро(1+ m).
Тогда коэффициент полезного действия в максимальном режиме
max
P
где -
Po
модуляции.
Pmax P(1 m) 2
(1 m)
Po max Po (1 m)
коэффициент полезного действия ГВВ без
Если, например, при угле отсечки в максимальном режиме max =
110 , m = 0,8, max = 0,63 и тогда 0,35.
Учитывая, что эксплуатационный КПД определяется данными
режима молчания – низкий КПД является недостатком модуляции
смещением.
Достоинство – малая мощность модуляционного устройства –
усилителя звуковой частоты (УЗЧ).

25. Анодная (коллекторная) модуляция. Осуществляется подачей модулирующего напряжения на анод генераторной лампы.

Последовательно с источником постоянного напряжения Еа
включается вторичная обмотка модуляционного трансформатора, поэтому напряжение источника анодного питания
суммируется с модулирующим напряжением.

26.

В случае линейной статической модуляционной
характеристики первая гармоника анодного тока и его
постоянная составляющая изменяются по закону
Iа1( t) = Iа1н(1 + mcos t) ,
Iаo( t) = Iаoн(1 + mcos t) .
В режиме молчания напряжение на аноде выбирается
обычно равным номинальному (паспортному) значению
Еа = Еа ном.

27.

В этом случае выходная мощность в максимальном режиме
1
1
Pmax Ia1 max Ua max Ia1 max Ea max
2
2
где
При m = 1
E a max E a (1 m)
Pmax
1
Ia1 max 2E a 2Pном
2
Таким образом, поскольку Еа = Еаном, в максимальном
режиме лампа отдает удвоенную мощность. При этом в
отдельные моменты времени напряжение на аноде превышает
номинальное (паспортное) значение в два раза.
Однако подобный режим не является опасным для лампы,
поскольку среднее за период низкой частоты напряжение на
аноде лампы равно Еа.
В качестве вывода необходимо отметить достоинства и
недостатки анодной (коллекторной) амплитудной модуляции.
Достоинства – высокий КПД модулятора в режиме несущей
η = ηmax, недостаток - большой требуемый уровень мощности
модуляционного устройства, сравнимый с мощностью
модулятора.

28. Особенности коллекторной модуляции в транзисторных генераторах

Базовая модуляция смещением транзисторных генераторов не
находит широкого применения из-за нелинейности модуляционных
характеристик и трудных условий работы модуляционного
устройства.
Это связано с тем, что выход модуляционного устройства (УЗЧ)
нагружается на емкость эмиттерного перехода модулируемого
каскада (модулятора), величина которой зависит от уровня
сигнала. Кроме того, КПД базовой модуляции смещением низок,
как и при сеточной модуляции.
Коллекторная модуляция - основной вид AM, применяемый в
транзисторных генераторах.

29.

Так же, как и анодная модуляция в ламповых генераторах,
коллекторная модуляция осуществляется в перенапряженном
режиме и, требуя более мощного модуляционного устройства,
позволяет получить более высокий КПД модулятора, большую
глубину модуляции и лучшую линейность модуляционной
характеристики.
Основные особенности:
1. При коллекторной модуляции нельзя форсировать режим
работы по напряжению на коллекторе, так как превышение
максимального напряжения eкол доп приводит к выходу транзистора из
строя. Напряжение коллекторного питания выбирают из условия
е к max= Ек+ UΩ+ Uк mах < еКдоп
Учитывая это выигрыш по мощности по сравнению с ламповой
схеме получить не удается.
2. Если не применять подмодуляцию в предыдущем каскаде,
напряженность режима транзистора в модулируемом каскаде
изменяется в больших пределах. В некоторые моменты времени при
достаточно малом напряжении коллектора происходит отпирание
коллекторного перехода в прямом направлении. В результате
колебания радиочастоты из базовой цепи поступают
непосредственно в коллекторную цепь через малое сопротивление
коллекторного перехода.

30.

Модуляционная характеристика для этого случая
соответствует пунктирной кривой на рис.
Введение в предыдущем каскаде подмодуляции с
m < 1 выравнивает напряженность режима работы
транзистора и улучшает линейность модуляционной
характеристики (сплошная линия на рис.) В этом случае
осуществляется тройная коллекторная модуляция: на
коллектор и, за счет автосмещения, на базу в оконечном
каскаде, и на коллектор в предыдущем.

31.

32. Усиление модулированных сигналов.

Оно широко используется в современных
передатчиках, так как часто бывает
целесообразно сначала произвести модуляцию
на малом уровне мощности, а затем
модулированные колебания усилить.

33.

Усиление модулированных колебаний можно
интерпретировать как модуляцию напряжением
возбуждения.
Из графиков для лампового УМС, представленных на
рис. видно, что при смещении Ес = Ес‘ угол отсечки
всех импульсов анодного тока равен θ = 90°, а их
амплитуда пропорциональна амплитуде
возбуждающего напряжения и усиление будет
происходить без искажения до значения Uc max. При
этом статическая модуляционная характеристика
Ia1 = f(Uc), будет линейной.
Энергетические соотношения в режиме усиления
модулированных колебаний получаются таким же, как
при модуляции смещением, поскольку активный
элемент работает в недонапряжённом режиме.

34. ПРИМЕРЫ. Выходной каскад передатчика КВ/УКВ диапазонов с АМ на третью сетку

Модуляция на 3-ю сетку
пентода, работающего в
выходном
каскаде
передатчика. Вследствие
отрицательного смещения
на 3-й сетке выходная
мощность при отсутствии
модуляции
устанавливается
равной
25%
от
максимальной,
которую может дать лампа.
L2 - дроссель питания
анодной цепи; катушка L1,
шунтированная
R5,
предотвращает
возникновение
самовозбуждения
усилителя
на
частотах
микроволновых
диапазонов.

35. Выходной каскад транзисторного передатчика КВ/УКВ диапазонов с АМ

AM в
транзисторном
выходном каскаде
передатчика
КВ/УКВ
диапазонов.
Подбором
сопротивления R3
устанавливается
напряжение
питания
выходного
каскада
передатчика
(транзистор VT1)
близким к +12 В.

36. Структурные и принципиальные схемы генераторов с импульсной модуляцией.

В общем виде передатчик с импульсной АМ содержит
возбудитель, умножитель частоты, усилитель мощности и
модулятор, который обычно совмещен с УМ.
На рис. приведена схема
генератора телеграфных
сигналов для передатчика с формированием однополосного
сигнала на частоте 500 кГц. Плавное нарастание и спад
телеграфного сигнала здесь достигаются зарядом и разрядом
конденсатора С5.

37.

Крутизна фронтов телеграфной посылки определяется
емкостью этого конденсатора и сопротивлением резистора R5.