3.4. Модуляторлар

Таратылатын хабар заңы бойынша тасымалдаушы жиілікті модуляциялау сызықты емес операция болып табылады да, модуляторлар деп аталатын сызықты емес құрылғыларда іске асырылады. Жалпы жағдайда модуляторлардың көптеген түрлерін амплитудалық, жиіліктік, фазалық, импульстік және цифрлық деп бөлуге болады.

Резонанстық қуат күшейткіші негізіндегі амплитудалық модулятор

Біртоналды амплитудалық модуляция сигналы аналитикалық өрнегіне

u_апм(t) = U_т(1 + M cost )cos₀t

қарапайым талдау жүргізсек, осы сигналды қалыптастыру үшін e(t) = E₀ cost модуляциялайтын сигнал және u (t) = U_т cos₀t тасымалдаушы тербелісті көбейту қажет. Осындай көбейту іс жүзінде сызықты емес және параметрлік тізбектер көмегімен жүзеге асырылады.

3.14-сурет. Амплитудалық модулятор: а) қарапайым схемасы; б) токтар мен кернеулер диаграммасы

Амплитудалық модулятордың қарапайым схемасын (3.14 - сурет) VT транзисторы кірісіне тізбекті түрде e(t) модуляциялайтын сигнал, тұрақты U₀ ығысу кернеуі көздерін және u_т(t) тасымалдаушы тербеліс генераторын қосып, тербелістік контурды тасымалдаушы жиілікке ₀ баптап келтірумен құруға болады.

Осы модулятор көмегімен біртоналды амплитудалы модуляцияланған сигналды алу принципін қарайық. Бұл жағдайда модулятор кірісіне ( 3.14, а- сурет) мынадай түрдегі қосынды кернеу беруіміз керек:

u_кір(t) = U₀ + E₀ cost + U_т cos₀t .

3.17,б - суретте көрсетілген токтар мен кернеулердің уақыттық диа-граммалары бойынша модулятордың жұмыс істеу принципін түсіндіруге болады.

Транзистордың өтпелі сипаттамасы – I_к коллектор тогының U_бэ –база-эмиттер кернеуіне тәуелділігі – тіке сызықты екі кесіндісімен жуықталып алынған дейік. Ығысу кернеуі U₀ –ға қарағанда жұмыс нүктесінің модуляциялайтын сигнал e(t) заңы бойынша жылжуы себебіне байланысты тасымалдаушы тербеліс қисығында токтың кесілу нүктесі бұрышының өзгеруі болады.

Осының нәтижесінде тасымалдаушы тербеліс амплитудасының өзгерісін бейнелейтін транзистордың i_к - коллектор тоғының импульстері амплитуда бойынша модуляцияланған болып шығады. Транзистордың коллектор тоғы импульстері спектрінде жиіліктері ₀ және  гармоникалық, сондай-ақ еселі және комбинациялық ( ₀ мен -ның гармоникаларының қосындылық және айырма құрастырушыларынан) жиіліктерімен құрастырушылары жиынтығы бар. Резонанстық контурдың ₀  2  тең өткізу жолағы болуы тиіс, сонда ол коллектор тоғы импульстері спектрінен тек қана ₀ - , ₀ және ₀ +  үш жиілігі бар гармоникаларды бөліп алады.

3.15 – сурет. Статикалық модуляциялық сипаттама

Енгізетін бұрмаланулары бойынша модулятордың жұмысын бағалау үшін оның статикалық модуляциялық сипаттамасын пайдаланады, яғни транзистордың коллекторлық тогының бірінші гармоникасы амплитудасының Ік1, базасындағы тұрақты ығысу кернеуіне Uбэ тәуелділігін (3.15 - сурет). Атап өту керек, сызықты емес бұрмалануларды болдырмау үшін модуляциялық сипаттаманың Iкmin… Iкmax диапазонындағы тек қана тіке сызықты бөлігін пайдалану керек.

Бұрыштық модуляцияны іске асыру. Жиіліктік модуляторлар.

Іс жүзінде бұрыштық модуляциясы бар радиосигналдарды беруші генератордың жиілігін тікелей өзгертумен (жиіліктік модуляция) немесе тасымалдаушы тербелістің фазасын өзгертумен алады (фазалық модуляция).

Тасымалдаушы тербелістің жиіліктік модуляциясын көбінесе автогенератордың тербелістік контурының резонанстық жиілігін электрондық баптап келтіру (ілезде) жолымен іске асыруға болады. Іс жүзіндегі радиоэлектрондық сұлбаларға бұл сызықты емес шалаөткізгіш элемент – варикаптың көмегімен орындалады. Шалаөткізгіш диодтар теориясынан белгілі варикаптың p-n өткелінің тосқауылдық сыйымдылығы берілген кернеуге тәуелді және вольтфарадтың сипаттамасымен анықталады (3.16-сурет). Жиіліктік модуляцияны іске асырғанда модуляциялайтын сигналдың заңы бойынша тасымалдаушы жиіліктің жиілігін өзгерту қажет.

3.16 -сурет. Варикаптың вольтфарадалық сипаттамасы

Егер автогенератор кірісінде e(t) = E₀cos t гармоникалық сигнал әсер етсе, онда варикап сыйымдылығы C(t), C₀ -ға қарағанда уақыт бойынша гармоникалық заң бойынша өзгеріп отырады. Осындай заң бойынша тербелістік контурдың резонанстық жиілігі де бапталып отырады ( өйткені

_р = ) және осыған сәйкесті, егер жиілік девиациясы кішкентай болса, автогенератордың шығыс сигналы жиілігі де өзгеріп отырады.

3.17- сурет. Варикапы бар жиіліктік модулятор

3.17-суретте ОК-тегі автогенератордағы варикапы бар жиіліктік модулятор схемасы көрсетілген. Жиіліктік модулятордың осы сұлбасында L_к индуктивтігі, С_к -сыйымдылығы және варикап резонанстық жиілігі тасымалдаушы жиілікке тең тербелістік контурды құрып тұр. Қозатын тербелістердің жиілігін баптап реттеу варикаптың сыйымдылығын автоматты түрде өзгертумен іске асырады.

Контурды кернеу көздері U₀ мен e(t) -ның кішкентай кедергілерімен тұйықтап тастамас үшін олардың қосылуы тасымалдаушы тербеліс үшін үлкен кедергісі, ал модуляциялайтын сигнал және ығысудың тұрақты кернеуі үшін кішкентай кедергісі бар L₁- дросселі арқылы жүзеге асырылады. Модулятор сұлбасында С_р –ажыратқыш конденсатор.

Цифрлық жиіліктік модулятор. Цифрлық жиіліктік модуляциясын (ЦЖМ) әртүрлі әдістермен жүзеге асыруға болады, мысалы келесі

,

заң бойынша гармоникалық сигналдар генераторы жиілігін басқарумен. Бұл формула үздіксіз фазалы цифрлық жиіліктік модуляцияны анықтайды. Мұнда:

k_жм = - жиілік девиациясы; - кодалық символдар; -импульстік сигнал пішіні; ₀ – тасымалдаушы тербеліс бастапқы фазасы.

Жиіліктік девиация индексі = .

Осындай сигналды қалыптастырудың қарапайым түрін қарайық. Жиіліктік модуляция индексі m =0,5 ИЖМ жүйелері үшін модуляциялайтын функциялардың жылжуы бар модуляцияның квадратуралық әдісі пайдаланылады. Оның әрекеті жиіліктік манипуляцияда фаза өзгеруі заңын тегістеуде жатыр.

Айта кетейік үздіксіз фазасы және жиіліктік жылжуы (параметрі)

бар цифрлық жиіліктік модуляцияны минималды (жиіліктік) жылжуы бар манипуляция деп атайды (ММС, ағылшынша Minimum Shift Keying – MSK).

ЦЖМ сигналдардың энергетикалық спектрі қамтушысы фаза өзгеруі заңының тегістеу дәрежесі өскенде тасымалдаушыдан алыстаған сайын шұғыл төмендейтіні математикалық түрде дәлелденген. Осыдан жұмыстық жиіліктік жолақты қысқанда ЦЖМ тиімділігін ұлғайтуға болады. Бірақ жұмыстық жолақты шексіз қысымдауға болмайды. ЦЖМ сигналдарды қалыптастыруда оптималды нәтижеге модуляциялайтын сигналдардың жүріп өту периоды t = t_и болғанда қол жететіні белгілі (минималды жылжуы бар манипуляция деп аталатын ММС).

ММС –ны іске асырғанда логикалық «1» (импульсті) беру үшін тасымалдаушы фазасы (t) – ны, t такт ұзақтылығы уақытында фаза өсімі

 , /2 тең болатындай қылып, сызықты түрде өсіреді; ал логикалық «0» -дің (паузаның) берілуіне тасымалдаушы фазасының сызықты кішірейюі /2 сәйкес болуы тиіс. Бұл тасымалдаушы фазасының, осы берілген модуляциядағы қабылдағышта танылатын ең кіші өзгерісі, оны жиілікті-фазалық деп түсіндіруге болады. Бір тактыда  = /2 фазаның өзгеруін білсек, жиілік девиациясын f есептеу қиын емес.  =2 ft осыдан табамыз f = 0,25/t.

ММС бар модулятор құрылымдық сұлбасы 3.18 –суретте көрсетілген. Модулятор өзі тасымалдаушы жиілігі f₀ беру генератордан, 90^о - қа фазабұрғыштан, екі көбейткіштен және сумматордан тұрады. Фаза өзгерісін тегістеу үшін модулятор алдында гаусстық (нормалды) жиіліктік сипаттамасы бар төменгі жиілік сүзгісі (ФНЧ) және интегратор қосылған. Гаусс сүзгісін қолдану жиіліктің дискретті өзгерісінде тасымалдаушы тербелістің ағымдық фазасында «тегістелген өткізулерді» алуға мүмкіндік береді. Ақпаратты тарату жүйелерінде

3.18-сурет. ММС екілік сигналын қалыптастырудың квадратуралық сұлбасы

Гаусс сүзгісін пайдаланатын модуляция түрі минималды жиіліктік дылжуы бар гаусстық манипуляция деп аталады (ГММС, ағылшынша Gaussian Minimum Shift Keying – GMSK).

GMSK – радиосигналы құрылымын және оны қалыптастыру ұстанымын түсіндіретін диаграммалар 3.19 –суретте бейнеленген. Оларда (3.19, а - сурет) сигналдық биттер не оң импульспен (1), немесе теріс таңбалы импульспен (0) көрсетілген. Төменгі жиілік сүзгісінде (ФНЧ) және интеграторда (t) =  t (3.19,б –сурет) фазалық жылжуға түрлендірілген кіріс сигнал, «cos» және «sin» блоктарында cos (t) және sin(t) екі квадратуралық құрастырушыларға бөлінеді. Осы кіріс сигналдың құрастырушылары көбейткіштер блоктарына келіп түседі, олардың біріншісіне беруші генератордан тасымалдаушы жиілік тербелісі cos(2 f₀t), ал екіншісіне сондай, бірақ тасымалдаушы жиіліктің ортогоналды тербелісі sin (2 f₀t) беріледі.

Жиілік көбейткіштерінен сигналдар сумматорға келіп түседі, оның шығысында манипуляция жылдамдығына когерентті ( латыншадан – cohaerens-байланыста тұратын) жиілік девиациясы бар GMSK – сигнал қалыптасты-рылады (3.19, в – сурет).

Сонымен, GMSK типті цифрлық модуляцияның мынандай тиімді қасиеттері бар: жеткілікті енсіз жұмыстық жиілік жолағы; таратқыштардың күшейткіштері қуатын кілттік режимде (ПӘК 90% -ке дейін) пайдалануға мүмкіндік беретін радиосигналдардың тұрақты амплитудасы; радиобайланыс арналарының бөгеулікке орнықтылығының жақсы сипаттамалары.

3.19 – сурет. GMSK модуляторына диаграммалар: а-сигналдық биттер; б – фазаның өзгеруі заңы; в- тасымалдаушы жиілік өзгеру заңы

Фазалық модуляторлар. Армстронг әдісі.

Сигналдардың фазалық модуляциясын іске асыру үшін оның кішкене индекстерінде, 1932 жылы Э.Аристронг модуляцияланбаған тасымалдаушы сигнал лки балансты модуляцияланған сигналды 90⁰ бұрышпен қосуды ұсынды (3.20-сурет). Бұл сұлбада фаза айналдырғыш (90⁰) тасымалдаушы тербелістің фазасын 90⁰ –қа бұрады.Баланстық модулятор (БМ) шығысында басып тасталған тасымалдаушысы бар амплитудалы- модуляцияланған сигнал шығарады. Сөйтіп қосындылағыш (+) кірісіне екі тербеліс келіп түседі: тасымалдаушы кернеуі

және амплитудалы модуляцияланған сигнал :

.

Қарапайым математикалық амалдар арқылы, қосындылағыш шығысындағы сигнал жуық түрде мына формуламен анықталатынын көрсетуге болады:

(3.35)

және бұл модуляциялайтын сигнал e(t) заңы бойынша фазасы өзгеретін гармоникалық тербеліс болып табылады.

Бірақ Армстронг әдісі іс жүзінде көп қолданылмайды, өйткені модуляция индексі кішкентайлығынан ол салыстырмалы төменгі жиілікте орындалып, жиілікті көбейтудің каскадтарының көп санын талап етеді.

3.20- сурет. Армстронг модуляторы