Рис. 19.1

Частотная модуляция

В радиосвязи, радиовещании, телеметрии и телевидении чаще используется частотная модуляция. При выборе способа генерации ЧМ колебаний необходимо выполнить противоречивые требования к сигналу передатчика – заданная девиация частоты, заданный уровень нелинейных искажений и стабильность средней частоты.

Используются два основных метода формирования ЧМ сигналов - прямой и косвенный.

Упрощенная структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ приведена на рис. 19.2. Управляемый реактивный элемент (варикап) модулирует по частоте возбудитель передатчика. Для увеличения девиации частоты производится умножение частоты в n раз. Усилитель (УМ) доводит уровень выходной мощности передатчика до заданного уровня. Для стабилизации средней частоты вводится система автоматической подстройки частоты, устраняющая медленные уходы частоты от номинального значения.

Рис.19.2

Для формирования ЧМ колебаний косвенным методом используется фазовая модуляция в одном из промежуточных каскадов передатчика (рис.19.3).

На фазовый модулятор подается информационный сигнал через интегрирующую цепь, которая снимает зависимость девиации частоты Δω от частоты модулирующего напряжения (19.1).

127

Рис. 19.3

Действительно, если модулирующее напряжение имеет вид: uΩ = UΩ cosΩ t , тогда после интегрирования получим:

uΩ¢ = ò UΩ cos Ω t dt = UΩΩ sin Ω t;

Напряжением uΩ′ осуществляется фазовая модуляция. Фаза при этом меня-

	ется в соответствии с (19.6).	UΩ
	ϕ (t) = ω0t + kϕ		sinΩ t ;	(19.6)
		Ω

На выходе фазового модулятора частота высокочастотных колебаний изменяется в соответствии с модулирующим напряжением, то есть осуществлена

ЧМ.	dϕ (t)
ω (t) =		= ω 0 + kϕ UΩ cos Ω t;
	dt

Достоинство этого метода состоит в том, что в качестве возбудителя передатчика можно использовать кварцевый автогенератор. К числу недостатков косвенного метода ЧМ следует отнести малую девиацию частоты при значительном уровне нелинейных искажений и необходимость использования многократного умножения частоты для получения необходимого индекса модуляции.

Качество работы передатчиков с ЧМ оценивается характеристиками, аналогичными характеристикам передатчиков с АМ.

Основные из них:

–статические модуляционные характеристики – Δω(ЕУ), то есть зависимость девиации частоты от напряжения, которое подается на управитель частоты. Линейность этой характеристики определяет уровень нелинейных искажений,

–амплитудные характеристики Δω(UΩ) – зависимость девиации частоты от амплитуды модулирующего напряжения,

–частотные характеристики Δω(Ω) – зависимость девиации частоты от частоты модулирующего напряжения,

–уровень паразитной амплитудной модуляции.

Все эти характеристики определяют уровень частотных и амплитудных искажений, которые вносит модулируемая ступень ЧМ передатчика при передаче информации.

128

Управители частоты

Управление частотой автогенераторов производится различными приборами с управляемой реактивностью – индуктивностями с подмагничиванием сердечников, реактивными транзисторами, варикапами. Чаще других используются варикапы – полупроводниковые диоды, емкость обратно смещенного p – n перехода которых зависит от напряжения. Надежность, малые габариты и не-

	значительная потребляемая мощность от источника мо-
	дулирующего напряжения – основные достоинства вари-
	капов как управителей частоты.
	Эквивалентная схема варикапа изображена на
	рис. 19.4. Она состоит из сопротивления базы r , диффу-
	зионной емкости открытого перехода СД, барьерной ем-
Рис. 19.4	кости закрытого перехода СБ и дифференциального со-
	противления RД. В запертом состоянии емкость варикапа

определяется барьерной емкостью, а сопротивление RД очень велико.

Это сопротивление настолько велико, что не снижает добротность современных варикапов ниже 100 даже на высоких частотах.

Рис. 19.5

Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения (вольт-фарадная характеристика – ВАХ) показана на рис. 19.5, а соотношение (19.7) позволяет рассчитать емкость варикапа СВ в любой точке этой характеристики:

	CВ (eВ ) = СВ НОМ		ϕ +	ЕВ НОМ	;		(19.7)
			ϕ + eВ

где ϕ ≈ 0,6 В – контактная разность потенциалов перехода, СВ НОМ – справочная величина емкости варикапа при напряжении ЕВ НОМ, eВ – обратное напряжение на p - n переходе варикапа.

В справочниках обычно приводится величина емкости варикапа при обратном напряжении 4 В.

129

При работе в качестве управителя частоты автогенератора на варикапе действуют три напряжения, определяющие его режим (рис. 19.6).

–постоянное напряжение смещения при отсутствии модуляции – ЕВ МОЛ,

–модулирующее напряжение низкой частоты с амплитудой UΩ,

–высокочастотное напряжение с той части контура автогенератора, к кото-

рой подключен варикап – Uω.

eВ (t) = ЕВ МОЛ

+ Uω cosω t + UΩ cosΩ t;

Напряжение на варикапе не должно открывать p – n переход, иначе резко уменьшается его добротность. Для этого должно выполняться условие:

ЕВ МОЛ > UΩ + Uω;

Допустимое обратное напряжение, при котором пробивается переход варикапа, указывается в числе справочных данных. Напряжения, действующие на варикапе, должны удовлетворять и такому условию:

ЕВ МОЛ + UΩ + Uω < еВ ДОП ;

Емкость варикапов при ЕВ = 4 В лежит в пределах от единиц пФ до 250 пФ, коэффициент перекрытия по емкости kС от 3 до 18.

kC = CВ МАКС CB МИН .

Рис. 19.6 Добротность зависит от частоты и типа варикапа и ее значения заключены в диапазоне 50 – 250.

Варикап как частотный модулятор

На рис. 19.7 изображен один из вариантов схемы автогенератора, эквивалентной емкостной трехточке с заземленным коллектором.

Автогенератор модулируется по частоте варикапом. Варикап включен параллельно контурной емкости С4 через блокировочный конденсатор С3. На варикап подается смещение ЕВ МОЛ с делителя R2, R4 через резистор R3. Кроме того, на варикапе действует модулирующее напряжение UΩ и высокочастотное Uω, снимаемое с части контура автогенератора.

130

Рис. 19.7

Произведем расчет девиации частоты, полагая, что известны тип варикапа, напряжение ЕВ МОЛ, амплитуда модулирующего напряжения UΩ. В основу расчета положена методика, изложенная в [4].

Условимся, что амплитуда модулирующего напряжения UΩ выбрана так, что в пределах 2UΩ можно пренебречь нелинейностью вольт-фарадной характеристики варикапа. Напряжение на варикапе, определяющее изменение его средней емкости за период высокой частоты, изменяется так:

еВ(t) = ЕВ МОЛ + UΩ cosΩt, а емкость варикапа – СВ(t) = CВ МОЛ + С cosΩt.

Как правило, коэффициент включения варикапа в контур автогенератора pВ меньше единицы (рис. 19.8).

При отключенном от контура варикапе частота колебаний в автогенераторе равна резонансной частоте этого контура. Относительно точек подключения варикапа сопротивление контура равно:

RК = pВ2ρ Q;

Рис. 19.8 где pВ – коэффициент включения варикапа в контур автогенератора, ρ – характеристическое сопротивление контура автогенератора, Q - добротность контура.

При подключении варикапа частота автоколебаний изменится. На новой частоте проводимость контура относительно тех же точек станет комплексной:

	1		=		1			+ j		α	;
	Z	K			R					R
						K				K
где α – обобщенная расстройка, α =					2			ω	Q .
						ω

Новая частота автогенератора равна резонансной частоте системы « контур + варикап», и проводимость относительно точек подключения варикапа на этой частоте должна быть вещественной:

131