книги / Радиопередающие устройства

2. Что такое модуляция? Назовите виды ее.

3	ч то такое амплитудная модуляция?
4.	Назовите способы осуществления амплитудной модуляции.
5.	Напишите уравнение амплитудно-модулированных колебаний.

6.Назовите спектры частот модулирующих колебаний.

7.Отчего зависит ширина спектра частот при амплитудной модуляции?

8.Что такое боковые частоты и боковые полосы?

9.Нарисуйте принципиальную схему модуляции изменением напряжения

смещения и поясните ее работу.

10.Как выбрать положение рабочей точки на характеристике электронного прибора?

11.Зачем необходим нелинейный элемент в схеме амплитудной модуляции?

12.В чем заключаются особенности модуляции изменением напряжения смещения?

13.	Нарисуйте схему базовой модуляции и поясните принцип работы.
14.	Поясните особенности базовой		модуляции.
15.	Нарисуйте	схему анодной модуляции и поясните принцип работы ее,
16.	Нарисуйте	графики изменения	мощностей при анодной модуляции.

17.Как определить мощность модулятора при анодной модуляции?

18.Назовите особенности анодной модуляции.

19.	Что такое	статические модуляционные			характеристики?
20.	Нарисуйте статические модуляционные характеристики при сеточной и
анодной модуляции.
21.	Нарисуйте	схему	коллекторной модуляции и поясните				принцип	рабо­
ты ее.
22. Поясните особенности коллекторной модуляции.
23. Нарисуйте		схему	двойной	коллекторной	модуляции	и	поясните	прин­
цип работы ее.
24. Нарисуйте		схему	тройной	коллекторной	модуляции	и	поясните	прин­
цип работы ее.

25. Нарисуйте схему коллекторной автоматической модуляции и поясните принцип работы ее.

Г л а в а 6. ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

6.1. ВИДЫ ОДНОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

Анализ амплитудно-модулированного колебания показывает, что оно состоит из трех составляющих: несущего с частотой и и двух боковых колебаний с частотами ю +П и ю—П. При модуляции сложным сигналом, состоящим из нескольких колебаний с раз­ ными частотами и амплитудами, по обеим сторонам несущего колебания располагаются две симметричные полосы боковых ко­ лебаний: co+(QH... Пв) и ©— ( П н —Пв). Передаваемая полезная информация Пи... Пв полностью содержится в одной боковой ПОЛО-

се, как в верхней, так и в нижней. Несущее колебание никакой информации в себе не содержит. Следовательно, для передачи ин­ формации достаточно передавать только одну боковую полосу — нижнюю или верхнюю.

Способ радиопередачи, при котором радиопередатчик создает и его антенна излучает только одну полосу амплитудно-модули­ рованных колебаний боковых частот, называется однополосной модуляцией. Вторая боковая полоса и несущее колебание при этом подавляются в устройстве формирования однополосного сиг­ нала. В приемнике к принятой и усиленной боковой полосе ча­ стот добавляется несущая частота от местного гетеродина.

При однополосной модуляции ширина спектра, занимаемого сообщением, уменьшается. Спектр модулирующего сигнала сдви­ гается в область несущей частоты. Для сравнения однополосной модуляции с обычной двухполосной (симметричной) — амплитуд­ ной модуляцией отметим основные недостатки амплитудной двух­ полосной модуляции:

широкая полоса частот, занимаемая каналом связи [(co+Q)

(со-й)];

низкая эффективность использования мощности передатчика. Первый недостаток — ширина спектра модулированного коле­

бания в 2 раза больше ширины спектра передаваемого сигнала, т. е. вдвое превышает полосу, необходимую для передачи инфор­ мации. Это приводит к уменьшению числа радиостанций, работа­ ющих в определенном диапазоне частот. Кроме того, при широкой полосе пропускания приемника больше сказываются помехи при­ ему, т. е. уменьшается помехоустойчивость приемника, снижается качество воспроизведения сигнала.

Второй недостаток является следствием того, что мощность бо­ ковых полос, содержащих информацию, составляет небольшую часть мощности, излучаемой антенной передатчика. Мощность од­ ной боковой составляющей спектра амплитудно-модулированного колебания можно определить выражением

Р ~ б=0,5/2бР „= 0 ,5		Я,„
а мощность	обеих боковых	составляющих — выражением
Мощность	максимального	режима Я _макс= Я~н (1 + т ) 2. Эф­

фективность использования мощности передатчика определяется отношением

Р~о/Р~ макс — т2Р ~п№ Р ~ н (1 + т ) ъ].

При т = 1

Р - б / ^ - м п к с = Р ~ „/2 -4 Р „н = 1/8.

Таким образом, в предельном случае (при т = 1) мощность боковых полос составляет только 1/8 максимальной мощности пе-

242

редатчика. Наибольшая часть мощности передатчика приходится на создание несущей. Так, при среднем значении коэффициента модуляции т = 0 ,3 5 на создание несущего колебания расходуется до 94% мощности передатчика.

Применение однополосной модуляции в системах радиосвязи обеспечивает значительные преимущества ее по сравнению с двух­ полосной. Основные из них:

исключение из спектра излучаемых колебаний несущей часто­ ты и одной боковой полосы создает значительную экономию мощ­ ности;

сужение полосы передаваемых частот до ширины, равной од­ ной боковой полосы, позволяет увеличить число передатчиков, ра­ ботающих в данном диапазоне частот.

Общий выигрыш по мощности при однополосной модуляции можно получить в 8... 16 раз. Он определяется следующими фак­ торами. При однополосной модуляции антенна передатчика излу­ чает только одну боковую полосу, поэтому уровень ее мощности можно поднять до уровня мощности несущей и этим получить выигрыш по мощности примерно в 4 раза. Затем полоса прием­ ника сужается в 2 раза по сравнению с приемом амплитудно-моду- лированных колебаний. Это улучшает отношение сигнал-помеха в

Y 2 раза, что эквивалентно увеличению мощности передатчика в 2 раза. Итак, общий выигрыш по мощности из-за эффективного использования мощности электронных приборов и сужения поло­ сы пропускания приемника составляет 4 X 2 = 8 раз.

Кроме сказанного при приеме узкополосной передачи умень­ шаются искажения, вызванные селективными замираниями, ко­ торые заключаются в том, что в процессе распространения широ­ кого спектра частот разные частоты получают различные затуха­ ния и разные фазовые сдвиги. В более узком спектре частот селек­ тивные замирания проявляются меньше. Это уменьшает нелиней­ ные искажения, обеспечивает лучшее качество воспроизведения сигнала и дает возможность получить выигрыш по мощности пе­ редатчика в 2 раза. Таким образом, общий выигрыш по мощности передатчика в системе связи с однополосной модуляцией состав­ ляет 16, реально — 8... 12 раз.

Благодаря значительному выигрышу в отношении сигнал-по­ меха и узкой полосе в однополосных передатчиках имеется воз­ можность осуществить многоканальную передачу. Например, од­ новременную передачу двух телефонных разговоров или несколь­ ко телеграфных каналов, помимо телефонного.

Следует также отметить, что при однополосной модуляции во время отсутствия модулирующего сигнала антенна передатчика не излучает ничего в отличие от обычной двухполосной, при ко­ торой бесполезно излучается большая мощность несущей. Такие паузы телефонной передачи составляют значительную часть вре­ мени работы передатчика. Это дает дополнительный существен­ ный выигрыш. Расчеты показывают, что мощность, потребляемая

каскадом при однополосной модуляции, примерно на 25% мень­ ше мощности, потребляемой при двухполосной модуляции.

Наряду с этим система однополосной передачи имеет следу­ ющие недостатки.

1. Необходимость обеспечения высокой стабильности частоты возбудителя передатчика и гетеродина приемника. Для воспроиз­ ведения переданной информации в радиоприемном устройстве не­ обходимо восстановить подавленную в передатчике несущую час­ тоту. Восстановление несущей в приемнике должно осуществлять­ ся с точностью до 10 Гц. При большем отклонении восстановлен­ ной несущей ухудшается разборчивость передаваемой речи. Для получения такой точной синхронизации стабильность частоты пе­

редатчика и	гетеродина приемника КВ диапазона должна быть
не хуже 10-7	10-8.

В аппаратуре гражданской авиации при связи с быстро ле­ тящими объектами, чтобы избежать влияния эффекта Доплера, вместе с однополосным сигналом передается остаток несущей, на­ зываемый пилот-сигналом.

Для высококачественного приема музыкальных передач допу­ стимое значение отклонения не должно превышать единиц герц. Для обеспечения требуемой стабильности частоты применяют ав­ томатическую подстройку несущей по пилот-сигналу.

2. Усложнение передатчика и приемника из-за необходимости формирования однополосного сигнала, восстановления несущей для детектирования и обеспечения стабильности частоты. Из-за значительных усложнений приемника применение однополосной модуляции для радиовещания оказывается экономически нецеле­ сообразным.

С целью повышения КПД передатчика формирование однопо­ лосного сигнала осуществляют в маломощных каскадах, а затем усиливают его до необходимого уровня в последующих каскадах. Усилители однополосного сигнала должны иметь амплитудную характеристику высокой линейности, так как при наличии нели­ нейных искажений передаваемого сообщения расширяется спектр однополосного сигнала.

В настоящее время для радиосвязи в КВ диапазоне использу­ ются следующие виды однополосной модуляции. Их различают по спектрам излучения:

содной боковой полосой (верхней или нижней);

сдвумя независимыми боковыми, каждая из которых несет

свою информацию; с тремя (или четырьмя) независимыми полосами.

Несущее колебание, как правило, ослабляется до определен­ ного значения. Наиболее экономичным является излучение на одной боковой и полностью подавленной несущей. Так, в макси­ мальном режиме передатчик на одной боковой полосе излучает мощность в шесть раз меньшую, чем с двухбоковой (симметрич­ ной) амплитудной модуляцией.

6.2. ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

Формированием однополосного сигнала называется процесс соз­ дания амплитудно-модулированного сигнала с одной боковой по­ лосой и подавленной несущей.

В настоящее время для формирования однополосного сигнала используются три основных метода: 1) фильтровой, 2) фазоком­ пенсационный и 3) фазофильтровой.

Требования к однополосному сигналу. Требования к парамет­ рам однополосных сигналов определены рекомендациями Между­ народного консультативного комитета по радио (МК.КР) и ос­ нованы на том, чтобы системы международной радиосвязи и ра­ диовещания различных стран были совместимы.

Размещение полос каналов в спектре радиочастотного сигна­ ла на выходе передатчиков с однополосной модуляцией показано на рис. 6.1. Международными рекомендациями предусматривает­ ся два типа каналов связи: для телефонии шириной 2650 Гц, про­ пускающий полосу частот 250... 3000 Гц, и для вещания или пере­ дачи одновременно двух телефонных сигналов шириной 5900 Гц, пропускающий полосу частот 100 6000 Гц.

Для внутрисоюзной радиосвязи ГОСТ предусматривает третий канал, ширина полосы пропускания которого составляет 3100 Гц (в пределах 300 ... 3400 Гц).

Передатчики малой мощности (меньше 300 Вт) работают од­

ним каналом:	или на нижней боковой полосе — А1,	или на	верх­
ней— А2. В	одном передатчике средней мощности	(1 5	кВт)

можно объединить два независимых канала тональной частоты— А1 и В1. В передатчике большой мощности (выше 20 кВт) мож­

но объединить четыре	канала — Al, А2 и В1, В2. Защитный ин­
тервал между парами	соседних каналов — В2—В1 и В2—А1 ра­
вен 250 Гц, а между В1 и А1 — 500 Гц. Спектр каждого		канала
может содержать и телеграфные сообщения.		полу­
Балансные и кольцевые модуляторы. Для того чтобы

чить однополосный сигнал, необходимо промодулировать радио­ частотные колебания колебанием звуковой частоты, подавить не­ сущую и ненужную боковую, а затем перенести полученный одно­ полосный сигнал на нужную частоту или в диапазон радиочастот.

Поскольку интервал частот, разделяющий боковые полосы, не­ большой (500 или 600 Гц), то для подавления одной боковой и выделения другой требуются фильтры с такой большой крутизной спада характеристики (затухания АЧХ), которую трудно получить даже при использовании кварцевых или электромеханических фильтров в диапазоне 0,1 1 МГц. Поэтому выделение сигнала одной боковой полосы методом подавления несущей и нерабочей боковой полосовыми фильтрами практически не применим.

Формирование однополосного сигнала осуществляется в сле­ дующем порядке. На первом этапе созданные возбудителем коле­ бания радиочастоты модулируются по амплитуде в балансном мо-

				а2	Число
*1		В ,	А 1		иана-	VD1
					лоб
			1		1
					2
-Л	- "	v	,	!	3
					>
				J_____
с31
Рис. 6.1. Размещение				полос	в слект-	Рис. 6.2. Схема диодного балансно-
ре сигнала						го модулятора

дуляторе. На выходе балансного модулятора получаются двух­ полосные амплитудно-модулированные колебания с ослабленной несущей. На втором этапе с помощью системы фильтров выделя­ ется одна боковая полоса и осуществляется сигнал на нужную частоту методом последовательных преобразований.

Балансный модулятор представляет собой соединение двух оди­ наковых амплитудных модуляторов, включенных таким образом, что напряжение несущей частоты подается на них синфазно, а напряжение модулирующей частоты — противофазно.

Простейшая схема диодного балансного модулятора приведе­ на на рис. 6.2. Напряжение несущей радиочастоты иы= U^cos (dt включено между анодом и катодом обоих диодов синфазно, а на­ пряжение модулирующего сигнала UQ = UGcos Qt—противофазно.

Принцип работы балансного модулятора основан на взаимной компенсации напряжений несущей частоты при сложении (или вы­ читании) двух амплитудно-модулированных колебаний на общей линейной нагрузке. Физические процессы в балансном модулято­ ре, схема которого приведена на рис. 6.2, протекают следующим образом. В каждом плече модулятора осуществляется обычная двухполосная амплитудная модуляция. Так, если к модулятору подведено только напряжение радиочастоты, то во время одного полупериода напряжения радиочастоты оба диода заперты и ток через них не идет. Во время другого полупериода оба диода про­ пускают ток. Через первичную обмотку трансформатора ТЗ токи обоих плеч протекают встречно. Результирующий ток равен раз­ ности токов i = i\—f2. При полной симметрии схемы токи и i2 равны и во вторичной обмотке ЭДС радиочастоты не наводится. Таким образом, в балансном модуляторе происходит подавление несущей. Однако для полного подавления несущей необходимо обеспечить полную симметрию плеч модулятора, так называемую балансировку. Отсюда и название модулятора «балансный».

При включении на второй вход модулятора модулирующего напряжения U Q = U Q C O S Sit к диодам плеч оказываются приложе­ ны противофазные напряжения модулирующей частоты UQl и Uсг,

где USH= UQ2 = UQI2. При этом		ток	одного диода увеличивается,
а другого — уменьшается. Так,		ток	верхнего	диода будет	изме­
няться	по закону ii=/i(l+m cosn O coso> £ , а			ток нижнего	диода
из-за	противофазности модулирующего напряжения будет 12 =

=Ii (1—т cos Sit) cos <ot.

Водин полупериод ток через диод VDi увеличивается, а че­

рез VD2 — уменьшается. В следующий полупериод — наоборот. Итак, в первичной обмотке трансформатора протекает ток, пред­ ставляющий собой разность токов ii—12:

ipe3 = i‘i—ii = I\m cos (со—S i)t+ Ilm cos(a> + £2)i.

На вторичной обмотке трансформатора ТЗ будет напряжение

^ВЫХ== £/m{'COS(cO— £2)H -CO S ((0 + Q ) / ] .

Таким образом, на выходе балансного модулятора колебание содержит только две боковые полосы, а несущей нет. В реальной схеме из-за нелинейности вольт-амперных характеристик и неко­ торой асимметрии схемы модулятора спектр выходного колебания содержит остаток несущей и побочные продукты преобразования на частотах Q, Зсо, 5ш и n(i>o±mSi. При близких значениях частот ш0 и Q подавление их затруднено. Значительно лучше подавление нерабочих составляющих спектра выходного сигнала достигается

вкольцевых балансных модуляторах.

Впростейшем случае кольцевой балансный модулятор пред­

ставляет собой симметричный мост, составленный из двух одина­ ковых балансных модуляторов со встречным включением диодов по радиочастоте (рис. 6.3). Модулирующее напряжение с часто­ той £2 включается в одну диагональ моста, а выходное напряже­ ние снимается с другой диагонали. Поэтому при балансе моста в спектре выходного сигнала отсутствуют (значительно ослаблены) нерабочие составляющие с частотами .Q, nSl, 2<o±Q и другие чет­ ные составляющие. В отличие от двухдиодной однополупериодной схемы кольцевая схема является двухполупериодной и в ней ис-

VD1 R2

а)

6)

24 Т

8

9

И

10

пользуются оба полупериода напряжения несущей частоты, кото­ рое является коммутирующим, так как оно управляет диодами (открывает и закрывает их). Амплитуда напряжения боковых по­ лос на выходе кольцевого балансного модулятора вдвое больше, чем на выходе простого двухдиодного. В практической схеме пос­ ледовательно с диодами включают резисторы R, предназначенные

для компенсации разброса	параметров	диодов,	и потенциометр
Яб для балансировки схемы	(рис. 6.3,6).	Более	совершенная бес-

трансформаторная микросхема кольцевого балансного модулято­ ра приведена на рис. 6.4. Для того чтобы нелинейные искажения и уровень нерабочих составляющих спектра не превышал допус­ тимых значений, напряжение несущей частоты должно быть в 10 100 раз больше напряжения модулирующей частоты. Для большинства полупроводниковых диодов напряжение несущей час­ тоты не должно превышать 2 В. Выходное напряжение двухпо­ лосного сигнала будет составлять несколько десятков милливольт. Малые значения выходного напряжения являются основным не­ достатком балансных модуляторов на полупроводниковых прибо­ рах. Степень подавления несущей в таком модуляторе составля­ ет 30 дБ.

6.3. ФИЛЬТРОВОЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОПОЛОСНОГО СИГНАЛА

Полученные на выходе балансного модулятора колебания содер­ жат две боковые полосы. Одну из них — нерабочую — надо по­ давить, а другую — рабочую — выделить. В большинстве случаев для подавления нерабочей боковой полосы используется фильт­ ровое устройство с большой крутизной спадов его амплитудночастотной характеристики. ГОСТ предусматривает ослабление не­ рабочей боковой полосы не менее чем на 60 дБ.

Трудность фильтрации, т. е. выделения одной и подавления другой боковой полосы, возникает из-за небольшого частотного интервала между внутренними боковыми частотами ©Нес±йнаж, образовавшимися от низшей частоты модуляции й н- Так, для те­ лефонной связи стандартная полоса частот составляет 300 3400 Гц. При этом частотный интервал между внутренними боко­ выми 600 Гц. Создать фильтр, разделяющий так близко располо­ женные частоты, в диапазоне коротких волн (3... 30 МГц) невоз­ можно.

Фильтрующие свойства фильтра оценивают крутизной ската

его амплитудно-частотной	характеристики 5ф=&ф/о(% ), где
Ьф — затухание в децибелах,	а <т(%) = (2Пн//и) 100%— относи­

тельное значение частотного интервала между боковыми полоса­ ми. Например, для обеспечения требуемой фильтрации (Ьф = 60дБ) на несущей частоте 1 МГц крутизна ската амплитудно-частотной характеристики фильтрового устройства должна иметь значение 1000 дБ на каждый процент изменения частоты. А фильтры типа LC имеют наибольшую крутизну ската амплитудно-частотной ха­ рактеристики 100 дБ (% ), электромеханические 600 дБ (% ). кварцевые 1000 дБ (% ). Следовательно, на частоте 1 МГц над­ лежащую фильтрацию могут обеспечивать только кварцевые филь­ тры. Другие фильтры можно применять на более низких часто­ тах. Опыт показывает, что многозвенные LC-фильтры могут обес­ печивать требуемую фильтрацию на частотах ниже 60 кГц, квар­ цевые— до 300 кГц... 5 МГц, электромеханические — до 1 МГц. Кварцевые фильтры имеют высокую стоимость, и поэтому их ис­ пользуют только в наиболее ответственной аппаратуре. Например, для магистральной радиосвязи на частотах около 100 кГц. Элек­ тромеханические фильтры дешевле, но амплитудно-частотная ха­ рактеристика их неравномерна и менее стабильна, чем у квар­

цевых. Их	применяют в низовой радиосвязи	на частотах до
500 кГц, а	фильтры LC — в системах дальней	связи с большим

числом телефонных каналов. Они более просты и дешевле. Таким образом, для выделения одной боковой полосы необ­

ходимо понижать несущую. Поэтому первоначальную модуляцию непосредственно модулирующим сигналом осуществляют как мо­ жно на более низкой частоте. А затем для переноса информации в диапазон рабочих частот (излучаемых антенной рабочих волн) применяют повторную, а при необходимости и многократную ба­ лансную модуляцию с использованием вспомогательных, так на­ зываемых поднесущих колебаний. В передатчиках магистральной связи применяют три преобразования и более. Первый фильтр — неперестраиваемый кварцевый, второй — электромеханический,

третий — LC-фильтр. В	передатчиках низовой связи		обычно два
преобразования.
Принцип повторной балансной модуляции состоит в следую­
щем. В коротковолновых передатчиках диапазона 3			30 МГц для
трех последовательных	преобразований	используют	поднесущие
/, = 80 100 кГц, /2= 1	3 МГц, /3=	Ю ... 30 МГц	(рис. '6.5).

2-19

Первое преобразование	осуществляется балансным модулятором,
в котором поднесущая /1	= 1 0 0 кГц модулируется звуковым коле­

банием канала телефонной связи 300... 3400 Гц. На выходе этого модулятора получаются две боковые полосы. Нерабочая (ниж­ няя) боковая полоса подавляется кварцевым фильтром Ф-1. На выходе фильтра имеется верхняя боковая полоса 100,3... 103,4 кГц. Относительный разнос боковых полое (2300)/100000• 100=0,6% .

Второе преобразование происходит во втором балансном моду­ ляторе, на вход которого подается поднесущая 2,7 МГц, а в каче­

стве	модулирующего сигнала используется		уже	не	низкая — зву­
ковая— частота,		а высокая— 100,3... 103,4	кГц.	На	выходе		вто­
рого балансного		модулятора получим две	боковые полосы:				верх­
нюю	(2700+100,3) =2800,3 ... (2700+103,4)		=2803,4		кГц	и	ниж­
нюю	2599,7 2596,6 кГц. Расстояние между боковыми					полосами

по частоте уже составляет 2100,3 кГц. А в самом начале модуля­ ции было 600 Гц. Относительный интервал частот (2-100,2)/2700•

•200 = 7,5%. Это значительно упрощает фильтрацию. После филь­
тра Ф-2	имеется верхняя боковая полоса /2 = (/ + AQ) =2800,3
2803,4	кГц.

На третий балансный		модулятор подается от задающего гене­
ратора	несущая частота	/3= 1 0 МГц,	являющаяся рабочей час­
тотой	передатчика. Модулирующей		служит полоса 2800,3

2803,4 кГц. На выходе третьего балансного модулятора расстоя-

250