Автогенераторы, СЧ и модуляции

Линейный участок СМХ IК1(Uвх) при Ec,Eп,Rн=сonst для θ=900 (сплошная линия до точки 3 на рис.9.10) cоответствует HP. При одновременном увеличении напряжений UBX и Еп можно в каждой точке СМХ поддерживать КР, при этом зависимость IKI(UВХ, ЕП) (штриховая линия на рис.9.10 пойдет линейно).

Проводя аналогичные построения импульсов тока при условии, что в каждой точке СМХ поддерживается HP или ПР, можно показать, что зависимость IKI(UВХ, ЕП) также будет линейной. Однако в HP получаются низкие энергетические показатели в коллекторной цепи, а в ПР–малый коэффициент усиления по мощности, поэтому лучше выбирать режим АЭ критическим.

Сравнение идеализированных СМХ для коэффициента усиления КР И

электронного КПД ηЭ при усилении модулированных колебаний,

коллекторной и комбинированной модуляций (рис.9.11) показывает преимущества комбинированной модуляции.

Рис. 9.11. Идеализированные статические модуляционные характеристики электронного КПД и коэффициента усиления при усилении модулированных колебаний (а), коллекторной (б), и комбинированной (в) модуляции

Входная проводимость АЭ при комбинированной модуляции меняется мало, за счет этого существенно снижается паразитная амплитудная и фазовая модуляция предыдущего каскада, что позволяет увеличить связь между каскадами, выбрав ее близкой к оптимальной. Для этого следует выбрать КПД ЦС предыдущего каскада ηЦС ПК=0,5. В результате общий коэффициент усиления по мощности всего передатчика возрастает.

Энергетические показатели при комбинированной модуляции такие же,

как при коллекторной (рис.9.11), поэтому для нее справедливы все

129

рекомендации по выбору АЭ и расчету его режима, как при одной коллекторной модуляции.

Еще одна разновидность комбинированной модуляции связана с использованием экранированных ламп. Если в УМ тетрод или пентод модулировать на анод, меняя только анодное напряжение, то в минимальном режиме возникает сильно перенапряженный режим по экранной сетке, опасный для лампы из-за нагрева этой сетки. Устранить такой недостаток можно, если изменять напряжение питания экранной сетки ЕС2 синхронно и синфазно с напряжением питания цепи анода Еп. Расчет показывает, что на всем протяжении СМХ удается сохранить КР и получить модуляцию с хорошими энергетическими и качественными показателями.

9.6. Однополосная модуляция Радиосвязь на одной боковой полосе частот (ОБП) более эффективна, чем

обычная двухполосная связь при AM. Поэтому она широко применяется в различных системах радиосвязи, в том числе и многоканальных. Выясним особенности передачи на ОБП по сравнению с обычной AM.

В отличие от спектра AM, при ОБП несущая и одна из боковых частот подавляются. Остается одна боковая частота, и поэтому ток в антенне меняется по гармоническому закону:

при той же максимальной мощности АЭ выходного каскада.

Полезный эффект на выходе приемника при AM колебаниях определяется амплитудой огибающей , т. е. суммой векторов боковых частот

130

а по мощности в (1 + m)2 раз.

Например, для т = 1 выигрыш по напряжению равен двум, а по мощности четырем. Кроме того, спектр частот, излучаемый при передаче ОБП,

уменьшается вдвое, что позволяет сузить полосу частот, пропускаемую приемником, и при равномерном спектре помех приводит к увеличению

Следовательно, общий выигрыш по мощности при передаче ОБП по сравнению

AM получается до 8 раз благодаря лучшему использованию АЭ по мощности в передатчике и уменьшению полосы пропускания приемника.

Для передатчиков коротковолнового диапазона из-за особенностей распространения радиоволн этот выигрыш получается еще больше.

Дело в том, что на входе приемника между несущей и боковыми частотами получаются фазовые сдвиги, которые уменьшают полезный эффект на выходе приемника. Из опыта установлено, что при ОБП отсутствие такого

131

Таким образом, общий выигрыш по мощности при переходе от АМ к ОБП составляет 8…16. Практически амплитуды токов несущей и второй боковой частоты при подавлении уменьшают на 40 дБ (а иногда и больше) по сравнению с выделяемой.

В приемнике для выделения сигнала информации необходимо восстановить несущую частоту с помощью местного гетеродина. Векторная диаграмма на рис.9.12б поясняет, как при ОБП определяется полезный эффект на выходе приемника после детектирования результирующего напряжения Uсум

равного сумме векторов несущей Uнес и боковой UБОК. Обычно в приемнике напряжение несущей Uнес, создаваемое местным гетеродином, значительно больше, чем напряжение принимаемой боковой частоты UБОК, поэтому

UБОК/Uнес<<1

восстанавливается. Однако частота несущей в приемнике должна быть точно равна частоте несущей в передатчике, иначе принятый сигнал информации не будет совпадать с передаваемым. При телефонии расхождения в частотах несущих не должны превышать 10 Гц, а при радиовещании 1...2 Гц.

Удовлетворить эти требования можно двумя способами. Первый состоит в том, что несущая частота в передатчике подавляется не полностью, остаток ее амплитуды составляет 10 ...20% от максимального тока IАмax. На приемном конце он служит опорным сигналом, по которому подстраивают частоту гетеродина. Мощность боковой частоты при этом уменьшается. Если

Мощность на боковой частоте пропорциональна квадрату тока:

где rA– сопротивление излучения антенны. Тогда

132

Если принять а=0,1 и т=1, то РА бок=0,8 РАмаx. Эквивалентный выигрыш по мощности упадет на 20% и станет равным 6,5 ...13 вместо 8 ...16. Однако выбирать а<0,1 нецелесообразно, так как при этом ухудшается работа системы автоподстройки частоты в приемнике.

Второй способ заключается в том, что высокую стабильность несущей частоты реализуют как в передатчике, так и в приемнике. Оценим требуемую нестабильность частоты. Если несущая частота f0=20МГц, а допустимые отклонения f=±(1...10)Гц, то f/f0=±(0,5...5)10-7. Такую нестабильность частоты могут обеспечить автогенераторы с кварцем.

Следует отметить, что УМ в передатчике с ОБП энергетически более экономичный, чем обычный усилитель модулированных колебаний. Поясним это. Ток 1-й гармоники в коллекторной цепи выходного каскада (без учета остатка несущей, а=0)

Мощности, развиваемая коллекторной цепью и потребляемая от

Видно, что усилитель одной боковой – это устройство с переменным потреблением мощности, которая пропорциональна уровню сигнала информации (или m). В режиме молчания она минимальна (если а ≠ 0).

КПД коллекторной цепи пропорционален т:

Подводя итог, следует еще раз подчеркнуть, что передатчики с ОБП дают больший выигрыш по мощности и экономичнее, чем передатчики AM,

133

занимают меньшую полосу частот. К их недостаткам относятся: необходимость высокой стабильности несущей частоты в передатчике и частоты гетеродина в приемнике, жесткие требования к линейности СМХ, особенно при многоканальной связи (чтобы комбинационные частоты не попали в спектр соседнего канала). Существенно усложняются схемы передатчика и приемника.

Передатчики с ОБП строят по многокаскадной схеме. Колебания ОБП формируют в маломощном возбудителе, а затем усиливают до заданного уровня мощности в каскадах, работающих с углом отсечки коллекторного тока

θ=90°для уменьшения нелинейных искажений.

Рассмотрим основные методы формирования однополосных сигналов.

Очевидный способ выделения сигнала ОБП подавлением несущей и другой боковой полосовым фильтром практически не применяется. Требуемую крутизну спада АЧХ трудно получить даже при использовании кварцевых или электромеханических фильтров в диапазоне выше 0,1...1МГц.

Одним из реально применяемых является так называемый метод повторной балансной модуляции. Балансные модуляторы (БМ) позволяют получить AM колебания о подавленной несущей. В качестве БМ можно использовать два обычных модулируемых каскада, работающих совместно на общую нагрузку. Если в нагрузке токи АЭ складываются, то каскады необходимо синфазно модулировать низкочастотным напряжением, а

высокочастотное напряжение подавать в противофазе. Часто применяются БМ на четырех диодах, включенных по «кольцевой схеме».

Воснову метода повторной балансной модуляции положен принцип постепенного увеличения разности между верхней и нижней боковыми полосами частот. Это при исключении несущей БМ упрощает задачу фильтрации.

Ввозбудителе с ОБП, где использован этот метод (рис.9.13а), на БМ подают модулирующий сигнал F и пониженную несущую частоту поднесущую

f1. На выходе выделяют две боковые частоты: f1 + F и f1 — F, a несущая f1

134

подавляется. Фильтр Ф1 выделяет верхнюю боковую полосу частот. Для

поднесущую f2>f1 a в качестве модулирующего – сигнал с выхода Ф. В

спектре на выходе БМ2 боковые полосы разнесены на частоту 2f1. Отношение частот f2/f1 выбирают так, чтобы можно было использовать обычные полосовые фильтры. На БМ3 подают сигнал f3 с диапазонного возбудителя и верхнюю боковую частоту f0 +f1+F с выхода Ф2. Неиспользуемую боковую полосу фильтруют контуром Ф3.

Для уменьшения нестабильности частоты все поднесущие f1, f2,... получают от кварцевого генератора f1.

Недостаток способа формирования сигнала ОБП методом повторной балансной модуляции состоит в большом числе балансных модуляторов и фильтров, что усложняет и удорожает возбудитель, а многократные преобразования частоты приводят к появлению комбинационных частот,

особенно вредных в многоканальных системах связи.

Другой метод формирования сигнала ОБП носит название

фазокомпенсационного. В возбудителе образуется N≥3 параллельных каналов, содержащих обычные AM каскады, работающие на общую нагрузку. Если фазы напряжения возбуждения этих каскадов сдвинуты фазовращателем на угол

то в общей нагрузке токи несущей частоты взаимно компенсируются и на выходе напряжение несущей отсутствует. Если, кроме того, модулирующие напряжения сдвинуты на каждом из каскадов относительно друг друга на такой же угол φ (постоянный во всем диапазоне частот модуляции), то в нагрузке сигналы одной из боковых полос компенсируются, а другой – суммируются арифметически. Какая из боковых частот исчезает, зависит от знака φ. Практическое применение нашли трех- и четырехфазные схемы.

135

характеризуется повышенным уровнем искажений, поэтому, несмотря на некоторые достоинства, широкого распространения не получил и рассматривать его нет необходимости.

Таким образом, все методы формирования сигнала ОБП требуют достаточно сложной аппаратуры при высоких требованиях к ее характеристикам.

Чаще всего сигналы ОБП используют в системах многоканальной связи,

где каждое сообщение преобразуют в однополосный сигнал, сдвинутый по частоте относительно соседних с помощью разных поднесущих. Затем все эти сигналы складывают в один групповой, модулирующий частоту возбудителя передатчика. Такие системы с частотным разделением каналов допускают передачу многих сотен телефонных сообщений.

9.7. Импульсная модуляция Импульсную модуляцию (ИМ) применяют в радиолокации,

радионавигации, радиорелейных линиях связи и т. п. При этом передатчик вырабатывает мощность за интервалы времени τи, разделенные паузами

(рис.9.14а). Виды ИМ характеризуются скважностью q:

где Тп – период повторения импульсов. Для радиолокации типична работа передатчика в режиме формирования коротких радиоимпульсов с большими периодами и скважностью q ≈ 1000, для paдиорелейных многоканальных линий связи характерны импульсы со скважностью q=2 ...

10.

Режим АЭ при ИМ описывают импульсными значениями Iвых и, Р1и и др.,

а также средними (усредненными за период повторения импульсов) значениями

Iвых ср, Р1ср и др. Для прямоугольных импульсов эти величины связаны соотношениями:

137

Рис.9.14. Радиоимпульсы при импульсной модуляции (а), а также структурные схемы однокаскадного (б) и многокаскадного {в) импульсного передатчика

Средняя мощность определяет тепловой режим передатчика. Обычно передатчики с ИМ (на электронных приборах) при той же длине линии связи,

что с AM или ЧМ, имеют значительно меньшие размеры. Это объясняется не только уменьшением средней мощности по сравнению с импульсной в q раз, но также явлением импульсной эмиссии катода и повышенной электрической прочностью электронных АЭ и радиодеталей. Так, например, номинальная мощность лампы в импульсном режиме может быть в 100 ... 1000 раз больше,

чем в непрерывном.

Вкачестве АЭ однокаскадного (рис.9.14б) и многокаскадного

(рис.9.14в) передатчиков при ИМ применяют все типы приборов, пригодные для работы на СВЧ. Формирующее устройство (ФУ) задает период повторения импульсов Тп и их длительность τи. Импульсный модулятор (ИМ)

управляет режимом АЭ, ИП– блок источников питания. В многокаскадном передатчике радиоимпульсы длительностью τи формируются в выходном каскаде (рис.9.14в), напряжение возбуждения которого также имеет форму

138