Глава 6 модуляционные устройства

6.1. Основные виды модуляции

Модуляция по существу является процессом изменения сиг­нала радиочастотной несущей таким образом, чтобы стала воз­можной передача некоторой информации. Такая необходимость возникает, например, в радиовещании, которое служит для пе­редачи низкочастотных звуковых сигналов, содержащих инфор­мацию в виде речи и музыки с полосой от 30 Гц до 20 кГц. Сигналы указанной полосы частот не могут быть переданы электрическим способом на сколько-нибудь значительные рас­стояния. Поэтому должны быть использованы радиочастотные сигналы, способные распространяться на большие расстояния.

Так как радиочастотные сигналы могут быть переданы на требуемые расстояния, это свойство и используется для пере­дачи звуковой информации. Аналогично этому сигналы изобра­жения (видеосигналы) модулируют радиочастотные колебания несущей, так что последняя «переносит» информацию о изобра­жении (см. разд. 15.1 — 15.4).

Радиочастотная несущая модулируется путем изменения формы ее колебаний в соответствии с модулирующими сигна­лами. Известны несколько способов достижения такого измене­ния, к ним относятся амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая модуляции (ФМ). Во всех трех случаях появляются сигналы боковых полос, которые вместе с несущей образуют составной модулированный передаваемый сигнал. Наряду с опи­санием усилителя и других устройств в данной книге представ­лены сведения и о специальных модулирующих устройствах.

6.2. Режим однотактной am

При амплитудной модуляции амплитуда колебаний несущей частоты изменяется звуковыми или видеосигналами, что вызы­вает появление сигналов боковых частот или боковых полос. Более подробно это описано в следующих разделах данной гла­вы. Сигналы боковых полос и несущая образуют составное ко­лебание, амплитуда которого изменяется в соответствии с моду­лирующим сигналом.

В случае транзисторных цепей для амплитудной модуляции колебаний несущей могут быть использованы несколько спосо­бов. Один из них состоит в модуляции напряжения смещения транзистора. В этом случае рабочая точка, соответствующая немодулированному напряжению смещения, находится за пре­делами отсечки и амплитуда колебаний несущей устанавлива­ется таким образом, чтобы немодулированные пики оказались посреди области между состояниями насыщения и отсечки. Мо­дулирующее напряжение включается последовательно с посто­янным напряжением смещения, приложенным к базе. Поэтому результирующее напряжение смещения будет изменяться в со­ответствии с модулирующими сигналами, в результате чего вы­ходной сигнал окажется модулированным. В биполярных тран­зисторах, таким образом, необходимо изменять ток базы. В слу­чае же канальных приборов вследствие их очень высокого входного сопротивления можно было бы просто изменять вход­ное напряжение. Аналогично этому при достаточно большом сопротивлении, включенном в цепь базы, вторичную обмотку модулирующего трансформатора можно было бы включить по­следовательно с эмиттером для изменения смещения в соответ­ствии с модулирующим сигналом. При любом способе модуля­ции путем изменения смещения может произойти перегрузка модуляционного каскада, так что необходимо следить за тем, чтобы удерживать модулирующий сигнал, в пределах границ, определяемых пределами возможного размаха тока коллектора (от нуля до тока насыщения).

Широко используется схема модуляции в цепи коллектора (или в цепи стока в случае полевого транзистора). Однотакт-ная схема такого способа модуляции показана на рис. 6.1. Мо­дулирующий сигнал вводится последовательно в цепь питания коллектора транзистора Т₁ оконечного каскада усилителя не­сущей, работающего в режиме класса С. Для этой цели исполь­зуется вторичная обмотка L₅ выходного звукового (или видео-) трансформатора, называемого модулирующим трансформато­ром.

Для получения несущей применяется генератор с кварцевой стабилизацией частоты, сигнал которого усиливается до требуе­мого уровня при помощи нескольких последовательно включен­ных каскадов усиления класса С (см. разд. 15.1 и рис. 15.1). Перед модулятором на транзисторе Т₂ также обычно исполь­зуется несколько каскадов усиления звуковых сигналов. На пер­вый из этих каскадов поступает сигнал от микрофона или дру­гого источника (телефона, магнитофона и т. д.).

В схеме, показанной на рис. 6.1, колебания несущей на вы­ходе резонансного контура в отсутствие модуляции имеют по­стоянную амплитуду. Поскольку ток коллектора транзистора Т₁ усилителя класса С протекает через вторичную обмотку моду­лирующего трансформатора, любое падение напряжения на этой вторичной обмотке будет складываться или вычитаться из. напряжения, прикладываемого к коллектору. (Ссылка на на­пряжение используется для пояснения процесса, поскольку любое изменение приложенного напряжения в режиме класса С вызывает изменение коллекторного тока. Поэтому в процессе-модуляции изменяются также и уровни мощности.)

Функционально модулятор является обычной высококачест­венной системой усиления звуковых сигналов. Когда на микро­фон (или другой звуковой преобразователь) воздействует звук, на выходе L₄ появляется отображающий его сигнал. В случае-положительного полупериода звукового колебания на выходе-верхний конец обмотки L₅ находится под положительным потен­циалом, а нижний — под отрицательным. При этом условии на­пряжение звуковой частоты эффективно увеличивает напряже­ние, приложенное к усилителю класса С, поскольку полярность звукового колебания совпадает с полярностью положительного напряжения источника коллекторного питания +17. В этом слу­чае (рис. 6.1) амплитуда колебаний несущей увеличивается на величину, равную амплитуде звукового модулирующего сигна­ла. При отрицательном выходном звуковом модулирующем сиг­нале верхний конец обмотки L₅ будет находиться под отрица­тельным потенциалом, а нижний — под положительным. Это на­пряжение в данном случае имеет полярность, обратную поляр­ности напряжения источника питания +U, и общее напряже­ние, приложенное к усилителю класса С, уменьшается. В этом случае, как показано на рис. 6.1, амплитуда колебаний несущей уменьшается. Если к модулятору больше не прикладываются: звуковые сигналы, амплитуда несущей опять принимает свое первоначальное значение, соответствующее номинальной мощ­ности несущей.

Рис. 6.1. Однотактная схема амплитудной модуляции.

Если эквивалентное активное сопротивление колебательного контура имеет постоянное значение, то мощность несущей изме­няется пропорционально квадрату напряжения. Поэтому при: полном размахе модуляции пиковая выходная мощность коле­бания несущей усилителя класса С достигает величины, в четы­ре раза превышающей уровень мощности немодулированной несущей. В соответствии с этим при полной (100%-ной) моду­ляции амплитуда колебаний несущей изменяется от нуля до удвоенной амплитуды немодулированной несущей.

Рис. 62. а — перемодуляция; б — 50%-ная модуляция; в — частота верхней боковой полосы модуляции; г — частота нижней боковой полосы модуляции.

В процессе модуляции средний ток коллектора, поступаю­щий к усилителю класса С от источника питания, не изменяет­ся, поскольку последовательные увеличения тока коллектора,, вызываемые модулятором, уравновешиваются аналогичными: уменьшениями тока коллектора. При 100%-ной модуляции выходная мощность модулятора должна быть равна половине входной мощности усилителя класса С. В этом определении под входной мощностью усилителя класса С понимается произведе­ние постоянного напряжения коллектора усилителя класса С на постоянный ток коллектора. Во время передачи звуковых, музыкальных или видеосигналов глубина модуляции постоянно изменяется вследствие изменений амплитуды, которые имеют место для различных уровней громкости, прикладываемых к входу модулятора. Глубина модуляции определяется отношени­ем мощности модулирующего сигнала к половине входной мощ­ности усилителя несущей.

Если амплитуда модулирующего сигнала слишком велика, это может привести к перемодуляции (рис. 6.2, а). При перемо­дуляции в течение короткого интервала времени амплитуда не­сущей падает до нуля, вследствие чего возникают искажения. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы пики звукового мо­дулирующего сигнала не приводили к глубине модуляции, пре­вышающей 100%. Если уменьшить глубину модуляции, то (рис. 6.2, б) изменение амплитуды составного сигнала несущей становится менее отчетливым.

Как показано на рис. 6.2, в и г, в процессе амплитудной моду­ляции для каждой частоты модулирующего сигнала образуются две боковые частоты модуляции радиочастотных сигналов. Поэтому, если несущая имеет частоту 1000 кГц и модулирована сигналом частотой 400 Гц, частота сигнала одной боковой по­лосы будет на 400 Гц больше частоты несущей, т. е. будет рав­на 1000,4 кГц, а частота сигнала другой боковой полосы будет на 400 Гц меньше частоты несущей, т. е. 999,6 кГц. Если бы не­сущая была модулирована сигналом частотой 1000 Гц, сигнал верхней боковой полосы имел бы частоту 1001 кГц, а сигнал нижней боковой полосы — 999 кГц. При наличии в модулирую­щем сигнале колебаний нескольких частот образуется несколь­ко боковых частот модулированных колебаний.

Изменения амплитуды модулированных колебаний, показан­ных на рис. 6.1, свидетельствуют об изменении мощности со­ставного сигнала, включающего составляющие боковых полос, В процессе амплитудной модуляции амплитуда колебаний соб­ственно несущей частоты не изменяется, однако мощности сиг­налов боковых полос изменяются пропорционально уровням ам­плитуды модулирующего сигнала. В случае модуляции в цепи коллектора мощность сигнала боковой полосы определяется мо­дулятором. Поэтому сигнал, показанный на рис. 6.1, представ­ляет собой сумму несущей и составляющих боковых полос. Если составное колебание с изменениями амплитуды подверг­нуть процессу фильтрации для удаления составляющих верх­ней и нижней боковых полос модуляции, останется сигнал несу­щей постоянной амплитуды.

В схеме, показанной на рис. 6.1, коэффициент трансформа­ции модулирующего трансформатора выбирается таким обра­зом, чтобы обеспечить согласование выходного импеданса трансформатора с импедансом усилителя класса С. Модулиро­ванная несущая прикладывается к параллельному резонансно­му контуру и передается на вторичную обмотку L₂, с которой колебания снимаются для подачи в антенную систему (в случае модуляции при высоком уровне сигнала) или на вход линейного усилителя класса В (при низком уровне сигнала).