§13. Получение модулированных радиосигналов.

Подавая на безинерционный нелинейный элемент сумму исходных колебаний, в выходном сигнале можно наблюдать всевозможные комбинационные составляющие. Если теперь пропустит выходной сигнал через линейный частотный фильтр, то можно выделить ряд полезных компонентов преобразованного сигнала. На этом принципе основано работа большого числа радиотехнических устройств, в частности модуляторов.

Амплитудным модулятором называется устройство создающее на выходных зажимах АМ – сигнал вида при подаче на выходы цепи гармонического несущего колебания и низкочастотного модулирующего сигнала. . Чаще всего амплитудные модуляторы строят, используя эффект преобразования спектра суммы сигналов в безинерционном нелинейном элементе.

Простейшим амплитудным модулятором служит нелинейный усилитель, у которого резонансный контур в выходной цепи настроен на частоту несущего колебания. К входу модулятора приложено напряжение

Принцип работы данного модулятора поясняется осциллограммами напряжения и токов.

Для определенности считается, что проходная характеристика транзистора аппроксимирована отрезками двух прямых. За счет того, что рабочая точка перемещается в такт с низкочастотным модулирующим колебанием, происходит непрерывное изменение угла отсечки несущего сигнала. Амплитуда первой гармоники последовательности импульсов коллекторного тока оказывается не постоянной во времени. Колебательный контур фильтрует коллекторный ток, выделяя на выходе АМ – сигнал, т. е. несущее колебание с переменной амплитудой, пропорциональной полезному модулирующему сигналу.

§1.Преобразование частоты.

Преобразование частоты – смещение спектра сигнала по шкале частот в ту или другую сторону, т. е. в область как более низких, так и более высоких частот. При таком смещении или переносе форма спектра не должна изменятся.

Пример преобразования частоты (амплитудная модуляция, детектирование). При формировании АМ сигнала спектр модулирующего сигнала, содержащего передаваемое сообщение, переносится в область более высоких частот для обеспечения возможности излучения получающего радиосигнала в виде электромагнитных волн в линию передачи. При детектировании радиосигнала его спектр также, переносится, но уже в обратную сторону – в область низких частот, что позволяет вновь выделить модулирующий сигнал, а, следовательно, и передаваемое сообщение. При этом, конечно требуется чтобы при таких преобразованиях форма сигнала выделяемого при детектировании совпадала с формой модулирующего сигнала при модуляции. Выполнение этого требования означает, что при подаче отсутствует искажения. Необходимым условием неискаженной передачи сообщения является сохранение формы спектра управляющего сигнала при его переносе как в область высоких частот (при модуляции), так и при обратном переносе в область низких частот (при детектировании).

Общий принцип, обеспечивающий преобразование частоты, состоит в том, что подлежащий преобразование сигнал умножается на гармонические колебание с частотой _г. Это колебание должно быть получено с помощью специального генератора, называемого гетеродинным. Если в спектре сигнала содержится гармоника с частотой ₀, то при перемножении этих гармонических колебаний получим:

т. е. на выходе перемножителя появляется гармонические колебания с суммарной и разностной частотами, следовательно, каждая гармоника сигнала обуславливает появление на выходе перемножителя двух гармонических колебаний с суммарной и разностной частотами.

На рисунке схемы преобразования спектра АМ сигнала:

а) АМ сигнал

б) спектр АМ сигнала

в) сигнал гетеродина

г) спектр сигнала гетеродина

д) спектр сигнала на выходе перемножителя

е) амплитудно-частотная характеристика фильтра разностной частоты (или фильтр промежуточной частоты ФПЧ)

ж) сигнал на выходе фильтра разностной частоты.

Схема транзисторного преобразователя частоты.

В практических схемах преобразователей частоты используют нелинейные элементы (полупроводниковые диоды, транзисторы, электронные лампы). В данной схеме перемножителя выполняет транзистор, вернее его входная нелинейная цепь: переход база – эмиттер. Наилучшие условия для преобразования частоты получаются в том случае, если зависимость i_б=(U_б.э) квадратично, т. е.

i_б= i_б.э+а₁ U_б.э+ а₂ U_б.э

В преобразователе напряжение U_б.э пропорционально сумме напряжений сигнала S(t) и гетеродина U_г(t), т. е. переменная составляющая этого напряжения:

U_б.э (t) = S(t) + U_г(t)

Подставив это выражение в (1) получим.

i_б= i_б.э+а₁ S(t) + а₂U_г(t)+а₂S²(t)+2a₂U_г(t) S(t)+ а₂U_г(t)

Из всех слагаемых в этой формуле интерес представляет только одно - подчеркнутое, содержащее произведения напряжений гетеродина и сигнала.

, например, S(t) описывается функцией

S_AM(t)=[1+mU(t)]U_m sin( t+ )

(Амплитудно-модулированный сигнал)

а U_г(t)= U_mг sin( t+ ), то это слагаемое

2a₂U_г(t) S(t)= 2а₂ U_mг sin( t+ )*)=[1+mU(t)]U_m sin( t+ )=

=а₂ U_mг U_m[1+mU(t)]{cos[ - _г)t+ - ]-cos[( - _г)t+ + ]}

Если контур в цепи коллектора транзистора настроить на промежуточную частоту _пр= - _г, то все остальные колебания с частотами , _г, - _г , 2 , 2 _г будет отфильтрованы. Составляющая тока коллектора разностной частоты - _г обуславливает появление напряжения, на резонансном сопративлении контура u, следовательно на выходе преобразователя

U_вых (t)=k(a₂U_{m г} [(1+mU(t)]cos( - _г)t

где начальная фаза - ради простоты записи опущена, k – коэффициент пропорциональности. Это был рассмотрен пример преобразования АМ сигнала. Аналогично с угловой модуляцией. В качестве перемножителей могут быть использованы параметрические цепи, управляемые сигнальным сигналом гетеродина.

Следовательно в результате преобразования частоты параметра модулированных колебаний не меняются, а несущая частота заменяется на промежуточную _пр= - _г. Обычно амплитуды сигналов на входе преобразователя частоты на нескоько порядков меньше, чем амплитуда гетеродина. Поэтому для столь малых сигналов преобразователь частоты является линейным устройством, а в отношении напряжения гетеродина – нелинейным.