Модуляторы сигналов. Принципы работы амплитудного и однополосного модулятора, спектральный анализ их выходных сигналов.

Модулятор — устройство, осуществляющее управление какими-либо параметрами высокочастотного сигнала в соответствии с изменениями передаваемого низкочастотного сигнала — модуляцию. По виду управляемых параметров модуляторы делятся на амплитудные, частотные, фазовые, квадратурные, однополосные и т.д. Модулятор является одной из составных частей передающих устройств радиосвязи, радио- и телевещания. Переносчиком информации обычно служат гармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей или поднесущей). В зависимости от того, какой параметр гармонических колебаний или волн изменяется, различают амплитудную, частотную, фазовую или смешанную (например, при однополосной передаче) модуляцию колебаний.

В настоящее время основными областями применения AM являются: звуковое радиовещание на «длинных», «средних» и «коротких» волнах (диапазоны частот НЧ, СЧ и ВЧ) и телевизионное вещание в метровом и дециметровом диапазонах (ОВЧ и УВЧ) — передатчики изображения. Для целей радиосвязи AM применяется в авиации в диапазонах 118... 136 МГц (ближняя радиосвязь). В отечественной прак­тике AM применяется также в трехпрограммном проводном вешании.

Наметилась тенденция постепенного перехода в радиовещании от AM к однополосной М. В первую очередь на систему однопо­лосной модуляции (ОМ) планируется перевести вещание в диапазоне ВЧ- Прорабатывается применение варианта ОМ, совместимого с ис­пользуемой в настоящее время и сохраняющейся на ближайшее будущее AM.

Распределение мощности сигнала в полосе звуковых частот характе­ризуется спектральной плотностью S(Q) [или S(F)]. На рис. 6.1 показа­ на спектральная плотность русской речи, отнесенная к максимальной спектральной плотности, наблюдающейся на частоте вблизи F- 300 Гц. Как видно, спектральная плотность весьма неравномерна. Весь спектр акустических колебаний, воспринимаемый человеческим ухом, занима­ет широкую полосу частот— примерно 20...20 ООО Гц; максимум чувст­вительности уха около 1000 Гц. Наиболее «мощные» спектральные составляющие человеческого голоса сосредоточены в узкой полосе 200...600 Гц.

Для обеспечения разборчивого восприятия речи при радиотелефон­ной связи (так называемая коммерческая радиотелефония) достаточно равномерно пропускать через передатчик полосу модулирующих частот 300...3400 Гц (в некоторых случаях 300...3000 или др.) с допустимой неравномерностью в этой полосе примерно ±(2...3) дБ. Для обеспечения эстетического восприятия в радиовещании необходимо с заданной до­ пустимой неравномерностью передавать существенно более широкую полосу частот.

 

Модулятором (модулируемым каскадом) радиопередатчика называ­ется устройство (каскад), в котором осуществляется процесс модуля­ции. Это каскад усиления радиочастоты между возбудителем и выходом передатчика (антенной), т. е. либо вы­ходной (оконечный), либо какой-то промежуточный каскад.

Модулирующее (звуковое) напряжение (сигнал) поступает на пере­датчик от источника информации, например от микрофона в радиове­щательной студии. Для обеспечения работы модулятора, как правило, необходимо предварительное усиление модулирующего сигнала. В передатчике для этого предусматривается тракт усиления звуковой час­тоты (модуляционное устройство), выходной каскад которого условно назовем мощным усилителем звуковой частоты (МУЗЧ) — модулирую­щим каскадом. Структурные схемы передатчиков с AM показаны на рис. 6.8.

Передатчики с однополосной модуляцией (ОМ) получили широкое распространение в магистральных радиосвязях (резерв спутниковой ра­диосвязи), в подвижных службах (морская, военная, авиационная ра­диосвязь), в системах низовой и производственной радиосвязи.

Радиооборудование с ОМ в зависимости от назначения строится одно-, двух- и четырехканальным с возможностью универсального ис­пользования каналов для передачи непрерывных или дискретных сигна­лов телефонных, телеграфных, фототелеграфных систем связи.

В отличие от AM, ЧМ и ФМ, где при модуляции изменяется лишь один параметр ВЧ колебания — амплитуда или фазовый угол, при однополосной модуляции изменяются одновременно оба параметра Именно поэтому однополосную модуляцию иногда называют амплитудно-фазовой модуляцией, при которой передаваемая информация ока зывается заложенной в изменениях амплитуды и фазы.

Большой практический интерес к ОМ и широкое внедрение радио­оборудования с ОМ, особенно в KB диапазоне, объясняется известными преимуществами этого вида модуляции по сравнению с AM и ЧМ.

Очевидным и важным преимуществом ОМ является наиболее узкая полоса частот, занимаемая сигналом с ОМ в радиоканале. Она почти равна полосе частот исходного модулирующего сигнала. Полоса час­тот, занимаемая колебанием с AM, по меньшей мере в 2 раза шире. При ЧМ занимаемая полоса еще шире. Благодаря этой особенности ОМ ее применение в системах радиосвязи и вещания позволяет почти в 2 раза по сравнению с AM уменьшить необходимые полосы радиоканалов и тем самым увеличить вдвое число действующих радиосвязей в одном и том же диапазоне частот.

Построение структурных схем передатчиков с ОМ имеет ряд особен­ностей по сравнению, например, с передатчиками с AM. В передатчиках с ОМ модулированный сигнал формируется на рабочей частоте в возбудителе, затем усилива­ется до необходимой мощности и подводится к антенне. Перенос опера­ции формирования ОМ сигнала в промежуточные каскады передатчика на более высокий уровень мощности не дает практических преиму­ществ, встречая при этом значительные трудности. В связи с этим в возбудителях передатчиков с ОМ всегда присутствует устройство, фор­мирующее сигналы для желательного вида работы.

В соответствии с особенностями сигнала с ОМ, который можно рассматривать либо как два колебания (несущее и в боковой полосе), занимающих различные частотные полосы, либо как произведение колебания изменяющейся во времени огибающей U_or(t) и ВЧ колебания с угловой модуляцией, при построении передатчиков с ОМ можно реализовать три метода.

Первый метод заключается в том, что в возбудителе (рис.7.3,д) на рабочей частоте формируется однополосный сигнал (7.6), соответст­вующий желательному виду излучения, который подводится к мощному линейному усилителю (ЛУ) с линейной амплитудной характеристикой в пределах 0 < U_or(t) < U_ormax- Линейный усилитель содержит предвари­тельные усилители (ПУ), мощный оконечный каскад — усилитель мо­дулированных колебаний (ОК-УМК) и колебательную систему (КС) для согласования оконечного каскада с антенной и подавления гармо­ник. Наличие в ЛУ мощного оконечного каскада, электронные при­боры которого для обеспечения линейной АХ должны работать в недонапряженном режиме, приводит к низкому промышленному КПД всего передатчика при усилении сигналов с переменной амплитудой.

 

Однако благодаря простоте решения по этому методу построено подав­ляющее большинство передатчиков для радиосвязи.

Второй метод — это метод раздельного излучения спектральных составляющих. В возбудителе на рабочей частоте формируются на раздельных выходах колебание с несущей частотой и колебание в боковой полосе. Колебание несущей с постоянной амплитудой эффективно усиливается в предварительных усилителях (ПУН), затем в оконечном усилителе и через колебательную систему подводится к антенне А₁. Колебания в боковой полосе с переменной амплитудой усиливаются линейным уси­лителем, состоящим из предварительных усилителей (ПУБ), оконечно­го усилителя (ОК-УМК), колебательной системы (КС) и подводятся к антенне А₂.

Таким образом, в этом варианте передающий комплекс с ОМ должен состоять из одного возбудителя и двух передатчиков со своими антен­нами. Такой комплекс рассматривается как одно из решений для радио­вещания с ОМ на больших мощностях. Решая вопрос целесообразности,

Сущность третьего метода раздельного усиления составляющих сигнала с ОМ или метода Кана заключается в том, что возбудителе формируется однополосный сигнал, соответствующий нужному типу излучения, затем составляющие сигнала — огибающая U_or(t) и ВЧ колебание с угловой модуляцией разделяются и подводятся к разным выходам. Колебание с угловой модуляцией и постоянной амплитудой усиливается в предварительных усилителях и подводятся к ВЧ входу оконечного каскада — перемножителя. Колебание огибающей усиливается в мощном усилителе постоянного тока и подводится к второму входу перемножителя. При реализации в ОК линейной операции перемножения в выходной цепи восстанавливается усиленный ОМ сигнал и через колебательную систему подводится к антенне.