Подавление несущей частоты. Балансные схемы

Один из основных способов подавления несущей частоты состоит в использовании балансных преобразователей. Эти схемы выполняются с использованием полупроводниковых диодов или транзисторов. На рисунке 1.61 представлены схемы кольцевого диодного балансного преобразователя (а) и двухтактного преобразователя на биполярных транзисторах (б).

Такие схемы работают совместно на общую нагрузку и называются балансными модуляторами (БМ). Принцип подавления колебаний несущей частоты в этих схемах аналогичный, поэтому рассмотрим работу балансного модулятора на транзисторах. Смещение на базы транзисторов подается через делитель на сопротивлениях R1 и R2. Сопротивление R_э обеспечивает симметрию плеч по постоянному току. Напряжение радиочастоты подается на базы транзисторов VT1 и VT2 в фазе. Фазы напряжение звуковой частоты сдвинуты на 180⁰. Конденсаторы С1 и С2 представляют собой весьма малое сопротивление току радиочастоты ω₀ и очень большое сопротивление току звуковой частоты Ω.

Напряжение смещения, напряжение звуковой и радиочастоты подобраны таким образом, чтобы в каждом транзисторе происходил процесс базовой амплитудной модуляции.

Так как напряжение звуковой частоты подаются на базы транзисторов в противофазе, то переменные составляющие коллекторных токов транзисторов, учитывая (1.23), можно записать:

i_1k = I_{k1 н} (1 + M cos Ωt) cosω₀ t ,

i_2k = I_{k1 н} (1 – M cos Ωt) cosω₀ t ,

где I_{k1 н} - первая гармоника тока в режиме несущей

частоты;

M- коэффициент модуляции.

Следовательно,

i_1k= I_{k1 н} cosω₀ t+ 0,5 M I_{k1 н} cos (ω₀+ Ω) t+ 0,5 M I_{k1 н} cos(ω₀ - Ω)t ,

i_2k = I_{k1 н} cosω₀ t– 0,5 M I_{k1 н} cos (ω₀+ Ω) t– 0,5 M I_{k1 н} cos(ω₀ - Ω)t .

Эти токи в колебательном контуре направлены навстречу один другому, поэтому разность токов равна:

i_1k – i_2k = M I_{k1 н} cos (ω₀+ Ω) t+ M I_{k1 н} cos (ω₀ – Ω) t .

Напряжение на колебательном контуре:

u= MU_н cos (ω₀+ Ω) t+ MU_н cos(ω₀ - Ω)t .

Полученные выражения позволяют сделать заключение, что напряжение на выходе БМ состоит только из боковых полос, напряжение несущей частоты отсутствует.

Выделение одной боковой полосы из суммарного напряжения может быть произведено с помощью фильтра.

Способы формирования одной боковой полосы

Для формирования ОБП применяют полосовые фильтры различных типов: LC, кварцевые, электромеханические. Основной электрической характеристикой фильтра является зависимость затухания от частоты, которая определяется крутизной ската S = b/σ [дБ/%]. Здесь «b» –требуемая величина ослабления в дБ, σ =( 2F_min / f_н )100%.

По ГОСТ [32] несущая и нерабочая боковая полоса должны быть подавлены на 60 дБ, т.е. в 1000 раз по сравнению с напряжением несущей. В телефонном спектре минимальная звуковая частота F_min=300 Гц, тогда требуемая крутизна ската

S = (60 / 600) f_н(1 / 100) = 10^-3f_н [дБ / % Гц].

Выпускаемые промышленностью LC–фильтры имеют крутизну ската S ≤ 100 дБ / % Гц, электромеханические –S ≤ 400дБ / % Гц, кварцевые – S ≤ 1000дБ / % Гц.

Задача подавления одной боковой усложняется с повышением несущей частоты. Один из наиболее применяемых способов для формирования ОБП при высокой несущей частоте является метод повторной балансной модуляции.

В основу этого метода положен принцип постепенного увеличения разности между верхней и нижней полосами частот. На рисунке 1.64 представлена структурная схема метода повторной балансной модуляции и спектральные диаграммы, поясняющие принцип формирования ОБП этим методом.

На первый БМ1 поступает напряжение модулирующей частоты F и несущей частоты от первого автогенератора (G1) f₁. На выходе БМ1 будут частоты f₁ + F и f₁ – F .Обычно частота f₁ выбирается порядка 120….200 кГц. При самой низкой звуковой частоте F=300 Гц удалены одна от другой на (2F / f₁ )100% на достаточное расстояние, поэтому могут быть разделены фильтром. Фильтр Ф1 пропускает частоту f₁+F , которая используется как модулирующая частота для второго балансного модулятора. Напряжение несущей частоты f₂ ≈ 1МГц подается на БМ2 от автогенератора G 2. Из двух боковых частот на выходе БМ2 f₂ ± (f₁ +F) нижняя подавляется фильтром Ф2, а верхняя f₂+f₁+F снова используется как модулирующая частота для третьего балансного модулятора. Напряжение несущей частоты f₃ ≈ 10 МГц подается на БМ2 от генератора G 3. После БМ3 боковые частоты f₃ ± (f₂ + f₁ +F) очень сильно отличаются одна от другой, так что одна из них может быть легко отфильтрована обычным полосовым фильтром Ф3. Количество балансных модуляторов в схеме будет тем больше, чем выше значение окончательной несущей частоты f₀. В качестве полосовых фильтров обычно используют электромеханические, которые работают на средней частоте 500 кГц.

Недостаток способа формирования ОБП методом повторной балансной модуляции состоит в большом числе БМ, фильтров и автогенераторов поднесущих частот. Многократные преобразования частоты приводят к появлению комбинационных частот. Для уменьшения числа автогенераторов можно использовать умножение частоты от одного возбудителя.

От недостатков, присущих методу повторной балансной модуляции, свободен фазокомпенсационный метод.

В схеме для одного канала, в котором напряжение возбудителя и модулирующего сигнала поступает на БМ1. На БМ2 подается сигнал от возбудителя, фаза которого сдвинута фазовращателем на 90⁰ . На такой же угол сдвигается фаза модулирующего напряжения, поступающего на второй вход БМ2. Оба балансных модулятора работают на общую нагрузку Z_н. В зависимости от того, как подключена нагрузка, токи на ней суммируются или вычитаются.

Мгновенное значение тока, модулированного по амплитуде для сигнала, поступающего на БМ1:

i₁ = I_н (1 + M cos Ωt) cosω₀ t .

Мгновенное значение тока, модулированного по амплитуде для сигнала, имеющего сдвиг фазы на 90⁰ , поступающего на БМ2:

i₂ = I_н (1 + M sin Ωt) sin ω₀ t .

После подавления несущей частоты на выходе БМ1 и БМ2 токи, соответствующие боковым частотам, будут равны:

i₁^΄ = I_н M cos (ω₀+ Ω) t + I_н M cos (ω₀ – Ω) t,

i₂^΄ = I_н M cos (ω₀ – Ω) t– I_н Mcos (ω₀+ Ω) t.

Если сопротивление нагрузки включено таким образом, что токи суммируются, то напряжение на нагрузке пропорционально току нижней боковой полосы:

U_НБП = U_н M cos (ω₀ – Ω) t,

если токи, протекающие через нагрузку, вычитаются, то напряжение на ней пропорционально току верхней боковой полосы:

U_ВБП = U_н M cos (ω₀ + Ω) t.

На практике нашли применение трех-четырехфазные схемы. В трехфазной системе используются фазовращатели, обеспечивающие сдвиг фазы на 2π/3.

Достоинство фазокомпенсационного метода состоит в возможности формировать сигнал ОБП с меньшим числом нелинейных преобразований, что снижает уровень побочных частот. Недостатком является более низкий уровень подавления несущей и одной боковой из-за сложности обеспечения симметрии схем и сложности создания низкочастотных широкополосных фазовращателей.

Выделение ОБП позволяет сформировать групповой спектр, который содержит N каналов в достаточно узкой полосе частот (рисунок 1.66). В каждом канале на БМ поступает напряжение несущей частоты (f_1, f₂ …f_n) и модулирующих частот: 1-го канала F_1min – F_1max, 2-го канала F_2min – F_2max, N-го канала F_Nmin – F_Nmax. Частоты f₂ и f₃ выбирается таким образом, чтобы получить минимально возможную ширину общего спектра:

f₂ ≈ f₁ + F_1max и f₃ ≈ f₂ + F_2max.

Выходной сигнал имеет полосу частот F_1min – F_Nmax.

Сравнивая временные диаграммы (рисунок 1.67), которые поясняют процесс формирования сигналов с АМ и сигналов с ОБП, можно сделать следующие выводы:

– в режиме отсутствия модуляции при АМ на выходе передатчика присутствует напряжение частоты несущего колебания; при использовании ОБП оно отсутствует, т.е. передатчик работает в более экономичном режиме;

– при АМ частота несущего колебания остается постоянной, равной ω₀ , при ОБП частота изменяется с девиацией, равной половины ширины спектра модулирующего сигнала (F_min – F_max);

– в отличие от АМ, у которой в процессе модуляции изменяется только один параметр, а именно амплитуда радиочастотного колебания, при ОБП изменяются два параметра – амплитуда и частота (фаза); причем амплитуда зависит от коэффициента модуляции М и не изменяется за период модуляции; это позволяет довести ее до максимального значения тока в антенне;

– так как модуляция с ОБП является более сложной (амплитудно-частотная), то усиление должно происходить в каскадах, работающих с наименьшими нелинейными искажениями. Обычно при усилении используется режим колебания второго рода с углом отсечки коллекторного тока 90⁰ .

Все методы формирования сигнала ОБП требуют наличия достаточно сложной аппаратуры. Чаще всего система с ОБП используется в проводной связи и в радиовещании.

На железнодорожном транспорте в радиостанциях поездной, станционной и ремонтно-оперативной радиосвязи применяется угловая модуляция.