Балансный (двухтактный) модулятор

Позволяет получить балансно-модулированный (БМ) сигнал, спектр которого состоит из двух боковых полос и не содержит несущего колебания.

Рисунок 14.6 – Принципиальная схема диодного балансного модулятора.

При положительной полуволне напряжения несущей частоты оба диода открыты, сопротивление их мало, и через первичную обмотку трансформатора Тр2 протекает выходной ток. При отрицательной полуволне диоды закрыты, сопротивление их велико и тока в обмотке нет. Этот ток имеет вид импульсов. С изменением полярности модулирующего напряжения изменяется направление тока (отрицательные импульсы). Отсутствие колебания несущей частоты на выходе модулятора объясняется тем, что несущее колебание подается в средние точки трансформаторов Тр1 и Тр2 и магнитные потоки, создаваемые токами несущей частоты и в полуобмотках трансформаторов, имеют встречные направления и взаимно уничтожаются. Нагрузкой модулятора служит контур, настроенный на несущую частоту , который выделяет БМ сигнал.

Рисунок 14.6 – Временные диаграммы модулирующего напряжения,

напряжения несущей и выходного тока.

Воспользуемся спектральным методом анализа нелинейной цепи. Пусть ВАХ диодов одинаковы и аппроксимируются полиномом второй степени. Пусть в некоторый момент времени полярность напряжений такая, как указана на рисунке 14.5. Тогда напряжение на диодах:

; .

Токи в цепях диодов:

;

.

Токи в трансформаторе Тр2 направлены встречно и результирующее напряжение на выходе схемы с учетом подавления некоторых составляющих контуром:

.

Рисунок 14.7 - Спектр выходного тока.

 

В балансном модуляторе в выходном токе отсутствуют составляющие нелинейного преобразования с частотами , , . При этом облегчается выделение БМ сигнала.

 

ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОПОЛОСНЫХ АМ СИГНАЛОВ

Передача информации одной боковой полосой имеет следующие преимущества:

- не тратится мощность передатчика на передачу несущих колебаний, за счет чего можно увеличить мощность колебаний передаваемой боковой полосы, а следовательно, и дальность действия связи;

- при отсутствии модуляции мощность не расходуется, т.к. передачи несущих колебаний нет;

- меньше занимаемая полоса, что позволяет отведенную для системы полосу частот уплотнить большим числом каналов;

- требуется более узкая полоса пропускания приемника, что повышает помехозащищенность за счет снижения уровня помех в рабочей полосе.

Методы формирования ом сигнала

1) Метод фильтрации.

Рисунок 15.1 – Структурная схема.

С помощью балансного (или кольцевого) модулятора БМ получают двухполосный сигнал с подавленной несущей. Далее полосовым фильтром ПФ выделяется требуемая боковая полоса частот.

Недостаток: т.к. частотный разнос между боковыми полосами раван 2F_min, то к ПФ предъявляются жесткие требования по полосе расфильтровке (применяются высокодобротные пьезокерамические и кварцевые фильтры).

2) Метод фазирования.

Рисунок 15.2 – Структурная схема.

Для перемножения сигналов используются балансные (или кольцевые) модуляторы БМ1 и БМ2. На БМ2 входные сигналы и подаются через фазовращатели на 90⁰ ФВ1 и ФВ2. Если модулирующий сигнал имеет более сложный спектр, то ФВ1 должен обеспечить изменение фазы всех спектральных составляющих.

Для формирования нижней боковой полосы частот нужно просуммировать полученные произведения; верхней – следует использовать вычитание. Это можно доказать, воспользовавшись тригонометрическими формулами:

,

.

 

ФОРМИРОВАНИЕ ЧМ И ФМ СИГНАЛОВ

Существуют прямые и косвенные методы получения ЧМ и ФМ сигналов.

Прямой метод ЧМ

Представляет собой параметрическое управление частотой колебаний автогенератора АГ. С этой целью в колебательный контур АГ вводят дополнительную емкость или индуктивность (управляющее устройство УУ), изменяющуюся по закону модулирующего сигнала.

Рисунок 16.1 – Структурная схема прямого метода ЧМ.

Недостаток: снижение стабильности средней частоты автоколебаний , т.к частота АГ должна изменяться в широких пределах.

Наиболее часто применяется частотный модулятор на основе варикапа.

Рисунок 16.2 – Принципиальная схема частотного модулятора с варикапом.

Параллельно контуру LC -генератора с индуктивной обратной связью подключен варикап – полупроводниковый диод, емкость которого зависит от напряжения, приложенного в направлении запирания p-n перехода. Конденсатор C2 соединяет по высокой частоте варикап с емкостью контура С1 и подбирается так, чтобы его сопротивление было мало на высокой генерируемой частоте и велико на частоте модулирующего сигнала. Разделительный дроссель L3 необходим для предотвращения замыкания высокой генерируемой частоты через источники напряжений: постоянного запирающего и модулирующего .

Модулирующее напряжение изменяет запирающее напряжение на варикапе, вследствие чего меняется емкость варикапа и соответственно генерируемая частота.

Рисунок 16.3 – Вольт-фарадная характеристика варикапа.

Тогда частота автоколебаний:

,

где - средняя частота автоколебаний;

- индуктивность контура;

- емкость контура;

- средняя емкость контура;

- начальная емкость варикапа. Определяется напряжением ;

- изменение емкости контура;

- соответствующее ему изменение частоты.

При незначительном изменении емкости контура мгновенная частота контура будет изменяться в соответствии с законом изменения управляющего напряжения:

.

Знак «минус» в выражении означает, что при увеличении емкости генерируемая частота уменьшается.

Прямой метод ФМ

Устройством, на выходе которого фаза гармонического колебания изменяется пропорционально модулирующему сигналу , является резонансный усилитель У с LC колебательным контуром в качестве нагрузки, если к контуру усилителя подключается реактивное сопротивление (УУ), управляемое модулирующим сигналом. Изменение частоты настройки контура приводит к изменению фазы напряжения на контуре.

Рисунок 16.4 – Структурная схема прямого метода ФМ.

Рисунок 16.5 – Принципиальная схема фазового модулятора с варикапом.

Несущее колебание поступает от генератора на базу транзистора , на котором построен резонансный усилитель. Параллельно емкости контура через разделительный конденсатор С2 подключен варикап VD1, управляемый источником модулирующего сигнала.

При изменении емкости варикапа происходит изменение реактивного сопротивления контура и, следовательно, сдвига фаз между напряжением несущей на входе усилителя и напряжением на резонансном контуре .

 

Рисунок 16.6 – ФЧХ контура.

Уравнение фазовой характеристики контура с добротностью для небольших расстроек имеет вид:

.

Неискаженная ФМ имеет место, когда изменение пропорционально , т.е. на линейном участке фазовой характеристики, где .

Косвенный метод ЧМ

Состоит в преобразовании ФМ в частотную. Для этого на входе фазового модулятора помещают интегратор. Таким образом, ЧМ сигнал получают в результате фазовой модуляции интегральной функцией модулирующего сигнала.

Рисунок 16.7 – Структурная схема косвенного метода ЧМ.

Покажем, что ФМ можно преобразовать в ЧМ.

При ЧМ частота изменяется по закону:

,

а фаза: .

где - размерный коэффициент пропорциональности.

Достоинство: возможность обеспечения сколь угодно высокой стабильности средней частоты (кварцевая стабилизация), поскольку модуляция осуществляется в промежуточном каскаде, а не в АГ.

Недостаток: невозможность получения широкополосной ЧМ (с большой девиацией частоты); сложность в изготовлении и настройке.

Первый недостаток устраняется путем получения небольших девиаций на низкой частоте с последующим умножением несущей частоты (во столько же раз увеличивается и девиация частоты).

Косвенный метод ФМ

Состоит в преобразовании ЧМ в фазовую. Для этого на входе частотного модулятора помещают дифференцирующую цепь. Таким образом, ФМ сигнал получают в результате частотной модуляции дифференциальной функцией модулирующего сигнала.

Рисунок 16.8 – Косвенный метод ФМ.

Покажем, что ЧМ можно преобразовать в ФМ.

При ФМ фаза изменяется по закону:

,

а частота:

,

где - текущий момент времени;

- размерный коэффициент пропорциональности;

- начальная фаза несущей.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

17.1 применение преобразования частоты

НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ возникает при формировании сигналов в радиопередающих устройствах, аппаратуре многоканальной электросвязи, радиоприемных устройствах.

 

17.2 Принцип преобразования частоты

Преобразование частоты – перенос (смещение) спектра сигнала по шкале частот в область более низких или более высоких частот без изменения закона модуляции. Устройство, его осуществляющее, называется преобразователем частоты.

Новое значение частоты несущего колебания, полученное на выходе преобразователя частоты, называется промежуточной частотой:

,

где - частота гетеродина;

.

Промежуточная частота может быть как выше частоты несущей (преобразование частоты вверх), так и ниже (преобразование частоты вниз).

Процесс преобразования частоты иллюстрируется рисунком 17.2.

Рисунок 17.1 – Временные диаграммы (а, в, д) и спектры (б, г, е) при

преобразовании частоты.

На рисунке приведены графики: АМ сигнала и его спектра, дополнительного гармонического колебания и его спектра, сигнала на выходе ПФ и его спектра. Спектр последнего по форме совпадает с исходным спектром сигнала, но сдвинут в область более низких частот на частоту . Огибающая колебания на выходе ПФ полностью совпадает с огибающей АМ сигнала, а частота заполнения уменьшена на значение .