Фазовые шумы синтезатора с фапч

Из структурной схемы (рис. 15.3) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 15.4).

Рис. 15.4

Здесь К1 – коэффициент передачи ФД;

К2 – коэффициент передачи ФНЧ;

К3 – коэффициент передачи управителя ГУН;

U_{Ш 0} – шумы на выходе ГУНа;

U_{Ш ОГ} – шумы опорного генератора.

Для шумов, спектр которых лежит в полосе ФНЧ, можно записать

Знак «–» в (7.3) означает, что обратная связь в кольце ФАПЧ отрицательная. Из соотношения (7.3) следует

Если К1 = К2 = К3, что возможно при отсутствии ФНЧ, то

Это уравнение ФНЧ первого порядка или интегратора.

Выводы:

1. Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2. Если частота ГУНа в n раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20 lg n выше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты ОГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе в n раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем

Следовательно, за полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

Контрольные вопросы

1. Почему интерполяционное число выбирают не более 10?

2. Какой из переключателей в синтезаторе, построенном по методу «идентичных декад», позволяет резко изменять выходную частоту?

3. Каким будет шаг сетки дискретных частот в синтезаторе рис.15.2, если число декад – 3, f = 200 кгц, Δf = 5 кГц?

4. Каковы недостатки синтезаторов, выполненных на базе метода «прямого синтеза»?

5. Нарисуйте структурную схему синтезатора с ДПКД.

6. Какую роль в цифровых синтезаторах играет фильтр нижних частот?

7. В каких пределах должен изменяться коэффициент деления ДПКД, если диапазон рабочих частот синтезатора 15 ÷ 20 МГц, а шаг сетки – 5 кГц?

Глава 16 передатчики с амплитудной модуляцией

В соответствии с ГОСТом модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров несущего радиочастотного колебания в соответствии с изменением параметров передаваемого (модулирующего) сигнала. Модулирующим является информационный сигнал. При амплитудной модуляции в соответствии с информационным сигналом изменяется амплитуда высокочастотного (несущего) колебания.

В настоящее время амплитудная модуляция (АМ) применяется в радиовещании на длинных, средних и коротких волнах, в телевидении для передачи видеосигнала.

В общем случае модулирующий сигнал может иметь сложную структуру. Однако, анализ основных характеристик сигналов с амплитудной модуляцией осуществляется из предположения, что передатчик модулируется низкочастотным гармоническим напряжением с частотой Ω, то есть

u_Ω = U_ΩсosΩt.

На рис.16.1 показано, как изменяется ток в антенне i_A при амплитудной модуляции.

Рис. 16.1

Огибающая высокочастотного колебания повторяет форму модулирующего сигнала. При отсутствии модуляции (в режиме молчания) амплитуда тока в антенне постоянна и равна I_{A мол}. При модуляции амплитуда этого тока меняется от I_{A макс} до I_{A мин} с отклонением от среднего значения ΔI_A c частотой Ω. Следовательно, амплитуда тока меняется так:

I_A(t) = I_{A МОЛ} + ΔI_AcosΩt; (16.1)

а мгновенное значение антенного тока – в соответствии с выражением (16.2):

i_А(t) = I_AМОЛ(1 + m cosΩt)cosω₀t, (16.2)

где m – коэффициент модуляции: m = ΔI_A / I_{A МОЛ}, ω₀ – несущая частота.

Коэффициент модуляции не должен быть больше единицы, иначе передача информации будет сопровождаться нелинейными искажениями.

Ток в антенне i_A пропорционален току первой гармоники выходного тока активного прибора (транзистора, лампы), так как между генераторным прибором и антенной включено согласующее устройство на линейных элементах (индуктивности, конденсаторы). На этом основании соотношения для модулированного тока в антенне справедливы и для тока первой гармоники в выходной цепи ГВВ. В ламповом генераторе при АМ ток i_a1 изменяется во времени так:

i_а1(t) = I_а1МОЛ(1 + mcosΩt) cosω₀t =

= I_а1МОЛ cosω₀t + 0,5mI_а1МОЛ cos (ω₀ +Ω)t + 0,5mI_а1МОЛ cos (ω₀ – Ω)t .

Видно, что АМ колебание представляет собой сумму трех гармонических колебаний – колебания несущей частоты ω₀ и двух боковых с частотами ω₀ + Ω и ω₀ – Ω с амплитудами 0,5mI_{а1 мол}. Информация о передаваемом сигнале содержится в колебаниях боковых частот, причем каждая из них содержит о нем полную информацию.

Спектр АМ колебания показан на рис. 16.2,а, здесь же изображена его векторная диаграмма (рис.16.2,б).

Рис. 16.2

Максимальное и минимальное значения амплитуды тока равны соответственно:

I_{а1 МАКС}= I_а1МОЛ (1 + m); I_{а1 МИН}= I_а1МОЛ (1 – m); (16.1)

Мощность в нагрузке передатчика при отсутствии модуляции равна:

P_1МОЛ = ;

В режиме, когда ток первой гармоники принимает максимальное значение (максимальный или пиковый режим модулируемого генератора), мощность в нагрузке становится равной

P_{1 макс} =

При модуляции амплитуда тока первой гармоники изменяется, при этом меняется и колебательная мощность в нагрузке генератора.

= ;

Средняя мощность в нагрузке генератора за период низкой частоты при этом:

Последнее соотношение позволяет определить мощность, которая приходится на боковые полосы – Р_{1 БОК.}

Р_1БОК = ;

Для увеличения дальности радиосвязи нужно увеличивать мощность боковых полос. Для этого следует работать при максимально возможных коэффициентах модуляции. При передаче речевых сигналов средний коэффициент модуляции около 0,3, а его пиковые значения наблюдаются относительно редко. Тем не менее, приходится рассчитывать каскад на мощность Р_1макс. При АМ неэффективно используются генераторные приборы по мощности. С этим обстоятельством приходится мириться, иначе передача будет сопровождаться нелинейными искажениями.

При таком среднем коэффициенте модуляции мощность боковых частот (полос) мала и их доля в общей излучаемой передатчиком мощности составляет всего 4,5 %.. Это самый серьезный недостаток амплитудной модуляции.

Существуют многочисленные методы получения АМ. Как правило, управление амплитудой колебаний на выходе ГВВ осуществляют изменением напряжения на одном из электродов генераторного прибора.

Качество модуляции, то есть глубину и уровень нелинейных искажений, оценивают с помощью статических модуляционных характеристик – зависимостей амплитуды тока первой гармоники или амплитуды напряжения на нагрузке генератора от того напряжения, которое изменяется при модуляции. Линейная статическая модуляционная характеристика (СМХ) обеспечивает малый уровень нелинейных искажений при передаче.

Ламповые генераторы модулируются изменением напряжения смещения (сеточная модуляция), изменением напряжения анодного питания (анодная модуляция). При модуляции смещением под статическими модуляционными характеристиками понимается зависимости I_а1 , U_а (Е_с), при анодной модуляции – это зависимости I_а1, U_а (E_а). В транзисторных ГВВ используется коллекторная модуляция, поэтому СМХ – это зависимости I_к1, U_к(E_к).

Кроме СМХ качество модуляции оценивается динамической характеристикой – зависимостью коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения – m(U_Ω). Для неискаженной модуляции следует использовать линейный участок этой характеристики (рис.16.3,а).

Рис.16.3

При передаче речи или музыки коэффициент модуляции не должен изменяться во всей полосе передаваемых частот. Допустимые изменения m определяются ГОСТ для различных типов АМ передатчиков. Примерный вид амплитудно-частотной характеристики показан на рис.16.3,б.

Амплитудная модуляция обычно осуществляется в оконечной ступени передатчика. Один из вариантов структурной схемы передатчика с амплитудной модуляции приведен на рис. 16.4. Высокочастотная часть передатчика состоит из возбудителя, двух усилителей мощности, модулируемой ступени и выходного ФНЧ для подавления гармоник. На модулируемую ступень в качестве модулирующего сигнала подается низкочастотное напряжение с выхода усилителя низкой частоты (УНЧ).

Рис.16.4

Рассмотрим некоторые из способов осуществления амплитудной модуляции – модуляцию смещением и анодную модуляцию.