8.2. Структурные схемы передатчиков с угловой модуляцией

Передатчики с ЧМ используются для радиовещания, звукового сопровождения телевидения, радиорелейной, тропосферной и косми­ческой связи, в радиовысотометрии и радиолокации. При выборе структурной схемы ЧМ-передатчика необходимо одновременно удов­летворить противоречивым требованиям к параметрам модуляции (заданная модуляция частоты, линейность модуляционной характе­ристики и др.) и высокой стабильности средней частоты. Сущест­вуют два основных метода формирования сигналов с ЧМ: прямой и косвенный. Прямой метод означает модуляцию частоты задающего генератора управителем частоты (УЧ) и возможное умножение час­тоты в последующих каскадах передатчика (рис. 8.5, а, б). Управите­лем частоты является устройство с электрически управляемым реак­тивным сопротивлением, которое подключается к колебательному контуру автогенератора. Таким УЧ может быть, например, варикап.

Для стабилизации средней частоты ω₀ управляемого генератора (УГ) в схеме на рис. 8 5, а используется система автоматической под­стройки частоты (АПЧ), которая корректирует медленные отклонения частоты ω₀, вызванные влиянием дестабилизирующих факторов. Для того чтобы АПЧ не ослабляла полезной модуляции, обратную связь в системе АПЧ по частотам модуляции Ω_min < Ω < Ω_max исключают с помощью фильтра нижних частот с полосой пропускания меньше Ω_min. Можно обойтись без системы АПЧ, если управлять частотой кварцевого автогенератора (КАГ) (рис. 8.5, б), который создает колеба­ния с долговременной нестабильностью частоты 10 ...10 . Однако относительный диапазон управления частотой КАГ невелик и

составляет 10^—3... 10^{— 4}.

Косвенный метод основан на возможности преобразования фазовой модуляции в частотную. Модулирующее напряжение подается на модулятор фазы через интегрирующий четырехполюсник (рис. 8.5, в). Задающий кварцевый генератор позволяет получать высокую ста­бильность средней частоты. Недостатком этого метода является незначительная девиация на низких частотах модулирующего сиг­нала, которая должна быть умножена в последующих каскадах с большой кратностью — порядка 10² ...10³ . При умножении несущей час­тоты в N раз абсолютная девиация частоты также умножается в N раз.

Умножители частоты, углубляя модуляцию при ЧМ, позволяют существенно понизить частоту задающего генератора, что облегчает ее стабилизацию.

229

Для формирования широкополосных сигналов используется комби­нированный способ, объединяющий прямой и косвенный (рис. 8.5, г) по принципу сложения спектров сигналов. Модуляция в области низ­ких частот производится изменением частоты КАГ. Модулятор фазы с интегратором превращает ФМ в ЧМ высокочастотной части спектра. Частотное разделение модулирующего сигнала осуществляется фильтрами нижних (ФНЧ) и высоких (ФВЧ) частот. Одновременные требования высокой стабильности средней частоты ω₀ и большой девиации ∆ω удается выполнить в схеме интерполяционного генератора (рис. 8.6). Управляемый генератор, работающий на частоте ω₁, модули­руется по частоте. Напряжения УГ и КАГ с частотой ω_к подаются на смеситель, на выходе которого с помощью полосового фильтра выде-

Рис. 8.5. Структурные схемы передатчиков с прямой (а, б), косвенной (в) и ком­бинированной (г) частотной модуляцией

Рис. 8.6. Схема интерполяционного генератора

ляются колебания с частотой ω₀ = ω₁+ ω_к бильность частоты ω₀ при нестабильностях КАГ ∆ω_к / ω_к и управляе­мого генератора определяется выражением ∆ω₁ / ω₁

где А=ω_k / ω₁

при А >> 1 нестабильность частоты УГ ослабляется на выходе смесителя в (1 + А) раз. Практически нецелесообразно выби­рать А более 20 из-за трудностей фильтрации комбинационных час­тот на выходе смесителя. В интерполяционном генераторе полезная абсолютная девиация переносится на выходное колебание без изме­нения, а относительная девиация при этом уменьшается в (1+ А) раз.

В зависимости от назначения, рабочей частоты, элементной базы, схемных решений, требований к качеству сигнала структурные схемы ФМ-передатчиков могут быть различными. Здесь мы рассмот­рим структурную схему (рис. 8.7) передатчика низовой связи диапа­зона метровых волн, на примере которой можно проследить основ­ные особенности передатчиков с ФМ.

Модулирующий сигнал с микрофона поступает на усилитель низ­кой частоты (УНЧ), а затем симметрично «обрезается» ограничи­телем ОГР-1, чтобы избежать в пиках модуляции превышения допустимого значения индекса модуляции т_тах, которое обычно устанавливается равным 1...2 рад. Поскольку ширина спектра ФМ-колебания пропорциональна не только напряжению модулирующего сигнала, но и его верхней частоте, которая для речевых сигналов

Рис. 8.7. Структурная схема передатчика с ФМ системы низовой связи

согласно стандарту ограничивается примерно 3 кГц (а процесс огра­ничения способствует появлению дополнительных высших гармоник в спектре речи), сигнал подвергается затем ограничению полосы час­тот спектра сверху с помощью фильтра нижних частот.

Стандартизованный таким образом речевой сигнал подается на низкочастотный, или сигнальный, вход модулятора фазы (МФ), кото­рый обеспечивает соответствующее отклонение фазы ∆φ напряжения несущей частоты со₀, поступающего на высокочастотный вход МФ.

Обратимся теперь к особенностям формирования напряжения несущей частоты перед подачей его на МФ. Колебания стабильной час­тоты ю₀ создаются кварцевым генератором малой мощности (обычно

менее 1 мВт). Работа реального МФ сопровождается некоторым изменением его входного сопротивления по высокочастотному входу в такт с модуляцией, и это приводит к соответствующему изменению нагрузки генератора и, как следствие, паразитной модуляции по час­тоте. Кроме того, входное сопротивление МФ подвержено медленным изменениям из-за изменений температуры, питающих напряжений и др. Это вызывает нестабильность частоты ω₀. Для ослабления этих нежелательных воздействий на КАГ со стороны МФ (перед ним) приходится включать аттенюатор АТТ-1 — обычно Т- или П-образную резисторную цепь, входное сопротивление которой изменяется в процессе модуляции гораздо слабее, чем входное сопротивление МФ. Этим достигается «развязка» КАГ и МФ. Однако чем лучше раз­вязка, тем больше мощность потерь несущей частоты в АТТ-1. Для восполнения потерь, а также для дополнительной развязки можно использовать специальный буферный усилитель (БУФ), который иногда вводится в состав кварцевого возбудителя.

Амплитуда напряжения несущей частоты, подаваемой на МФ, должна быть стабильной и иметь оптимальное значение. Ее неста­бильность, особенно ее быстрые изменения, могут приводить к пара­зитной ФМ в самом МФ и в последующих нелинейных каскадах. Этот эффект усиливается, если амплитуда несущей частоты излишне велика. Кроме того, при слишком большой амплитуде несущей час­тоты увеличиваются нелинейные искажения, вносимые МФ. При слишком малой амплитуде несущей частоты сигнал будет засоряться помехами и шумами.

Форма напряжения несущей частоты, подаваемого на МФ, должна быть стабильной (практически гармонической) также во избежание ухудшения качества ФМ-сигнала.

К цепям, следующим в схеме рис. 8.7 за МФ, также предъявля­ются жесткие требования для обеспечения высокого качества сиг­нала. Эти требования подробнее пояснены в следующем параграфе.