29 Методы частотной (фазовой) модуляции

Обе разновидности угловой модуляции (ЧМ и ФМ) по техническим характеристикам и параметрам качества передаваемого сообщения практически равноценны. Более того, эти разновидности взаимообратимы. Действительно, из полученных выражений видно, что частотную модуляцию можно осуществить двумя методами: с помощью частотного модулятора (прямой метод) и с помощью фазового модулятора (косвенный метод). В первом случае частотный модулятор представляет собой АГ, частота колебаний которого изменяется (модулируется) в соответствии с передаваемым (модулирующим) сигналом. Для электронной перестройки частоты используются управляемые реактивные элементы (УРЭ), в качестве которых может применяться варикап, ферровариометр, реактивная лампа и транзистор, вариконд, ключевой диод и т.д.

Во втором случае модулирующий сигнал подается на вход фазового модулятора через четырёхполюсник (интегрирующую цепь), который уменьшает амплитуду модулирующего сигнала пропорционально частоте.

Фазовый модулятор представляет собой устройство, на выходе которого фаза колебаний меняется в соответствии с изменением амплитуды модулирующего сигнала. В простейшем случае фазовым модулятором может являться маломощный усилитель с резонансным контуром в выходной цепи.

При расстройке этого контура фаза колебаний на выходе усилителя меняется в соответствии с фазочастотной характеристикой контура

где Q - добротность колебательного контура усилителя;

_ср- частота кварцевого автогенератора на входе усилителя (_ср=const);

 _o - резонансная частота выходного контура усилителя (_o = var);

  _ср  _о - величина расстройки колебательного контура.

Расстройка контура осуществляется изменением его параметров в соответствии с изменением модулирующего сигнала.

Сигнал с фазовой модуляцией также может быть получен и прямым, и косвенным методом. В соответствии с косвенным методом также используется частотный модулятор, но модулирующий сигнал предварительно корректируется с помощью дифференцирующей цепи, которая производит подъем амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот.

Так как в передатчиках с фазовым модулятором управление колебаниями осуществляется не в АГ, а в последующем каскаде, то создаются хорошие предпосылки в обеспечении высокой стабильности частоты кварцевого АГ. Однако классические передатчики с фазовыми модуляторами, часто более громоздки. Поэтому в передатчиках с угловой модуляцией чаще использовались частотные модуляторы.

Такие передатчики имеют меньшее число каскадов, меньшие размеры и оказываются проще.

Электронно-перестраиваемые автогенераторы. Характеристики качества формирования чм сигналов.

Принцип действия электронно-перестраиваемых АГ (часто их называют ГУН – генераторы управляемые напряжением), используемых в качестве частотных модуляторов, рассмотрим на простейшем примере транзисторного LC - автогенератора, частота которого изменяется под действием модулирующего напряжения с помощью варикапа. Использование варикапа для осуществления ЧМ определяется такими его свойствами как высокая надежность, малые габариты и вес, большая добротность барьерной емкости (более 100 пФ на частотах 50...100 МГц), возможность получения широкополосной ЧМ с малым уровнем нелинейных искажений.

Зависимость барьерной емкости р-n перехода варикапа от обратного напряжения (е_VD < 0) приведена на рис.

Ее можно описать выражением

,

где С_о - значение барьерной емкости при напряжении е_VD = 0;

_к - контактная разность потенциалов на р-n переходе;

 = 0,3 у плавных р-n переходов,  = 0,5 у резких и   0,5 у сверхрезких.

При приложении прямого напряжения е_VD  0 варикап характеризуется диффузионной емкостью С_д превышающей на несколько порядков барьерную. Однако добротность этой емкости низка.

Первоначально появились варикапы с плавным р-n переходом. Но ЧМ получаемая на их имела высокий уровень нелинейных искажений. Впоследствии появились варикапы с резким р-n переходом. На их основе созданы частотные модуляторы с уровнем нелинейных искажений в несколько процентов.

Рассмотрим автогенератор с варикапом для осуществления ЧМ

Автогенератор представляет собой емкостную трехточку, содержащую элементы схемы С1, С2 и L3. ЧМ осуществляется варикапом VD, включенным последовательно с L3 . Напряжение смещения на варикап Е_см выбирают таким, чтобы р-n переход варикапа всегда находился в закрытом состоянии, т.е. чтобы выполнялось условие

е_VD =  E_см + U + U_ < 0,

где U - амплитуда напряжения высокой частоты, действующего на варикапе;

U_ - амплитуда модулирующего напряжения.

Кроме того, максимальная величина обратного напряжения на варикапе не должна превышать пробивного напряжения

_см  U + U_ < е_{VD доп} .

На рис. показано изменение емкости варикапа при действии на его р-n переходе модулирующего и высокочастотного напряжений.

Качество частотной модуляции во многом определяется статической модуляционной характеристикой (СМХ) частотного модулятора, представляющей собой зависимость частоты  от медленно меняющегося управляющего напряжения Е_у(t), т.е. зависимость f[E_у(t)].

Напряжение Е_у(t) представим суммой постоянного смещения Е_см и переменной составляющей u_: Е_у(t)= Е_см+ u_(t). Средняя частота колебаний _ср определяется при u_(t) = 0 и равна _ср = f(Е_см).

Обычно СМХ удобно представлять как зависимость относительной девиации частоты

от нормированной переменной составляющей

В общем случае зависимость у = f(х) нелинейная. Запишем ее в виде разложения в ряд по степеням х (степенной ряд)

у = S₁x + S₂x² + S₃x³ +...+ S_nxⁿ, (2)

где .

Нелинейные искажения оцениваются по СМХ при модуляции гармоническим сигналом u_ = U_cost. Коэффициенты нелинейных искажений КНИ₂, КНИ₃,... равны отношению амплитуды девиации частоты на соответствующей гармонике модулирующего сигнала _n к амплитуде девиации частоты на первой гармонике ₁. Подставив в последнее выражение нормированное управляющее напряжение получим:

(3)

При высоких требованиях к точности формирования ЧМ сигналов следует добиваться минимальных значений коэффициентов S₂, S₃ , ... . Для варикапа значения этих коэффициентов определяются показателем  степени нелинейности характеристики С_б = f(e_VD) и принимают минимальные значения при   0,5 (у сверхрезких р-n переходов). В этом случае связь между девиацией частоты и управляющим напряжением близка к линейной:

у  S₁ х .

Динамические модуляционные характеристики приведены на рис.5,а и рис.5,б соответственно.

Качество угловой модуляции характеризуется еще уровнями шума и динамическим диапазоном сигнала.

Варикап может подключаться к контуру автогенератора параллельно (рис. а и б), последовательно (рис. в и д) и комбинированно с частичным вклю­чением (рис. г). При этом следует учитывать, что в реальных схемах всегда имеется начальная емкость контура С₃.

Следует учитывать, что с увеличением коэффициента вклю­чения варикапа в контур автогенератора ухудшается стабильность частоты из-за влияния ТКЕ варикапа (обычно у варикапов ТКЕ = 10^-4…10^-5 град^-1, а также возрастают шумы и ухудшается защищен­ность от помех, возникающих из-за нестабильности, пульсаций, наводок по цепям смещения и управления емкостью варика­па. Из этих соображений можно определить максимальный коэффици­ент включения варикапа. Стабильность частоты и требуемые искажения обеспечивают с помощью дополнительных мер: введением системы АПЧ, коррекции и предыскажений (см. § 8.4). Обычно в ЧМ генераторах с Δf/f= 10^-3 рекомендуется режим варикапа: Е_cм и -5... 10 В; U_ω= 1...5 В; U _Ω= 0,5...2 В.