книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

ся, однако эффективная полоса, занимаемая спектром колебаний, практически остается постоянной.

2) Уровень модулирующего сигнала изменяется, а его частота постоянна: E('Q)=const (модуляция одним тоном разной громко­ сти). С увеличением амплитуды (Уа девиация частоты увеличи­ вается, что при постоянстве частоты модуляции приводит к увели­ чению числа пар эффективных боковых колебаний, т. е. общей эф­ фективной полосы. Поэтому модулирующий сигнал с большей ам­ плитудой (и частотой) требует для своей передачи более широкой полосы. Ее минимальная ширина для передачи сообщения не мо­ жет быть меньше удвоенной максимальной девиации частоты 2-А/макс, где Д/маис — девиация частоты, соответствующая наиболь­ шему уровню модуляции UQ (макс).

Выбор параметров М и А/ частотной модуляции зависит от же­ лаемой ширины эффективной полосы' и амплитуды среднего коле­ бания. Так как последнее не содержит полезной информации, вы­ годно выбирать параметры модуляции такими, при которых ампли­ туда среднего колебания минимальна или равна нулю. В этом слу­ чае большая часть мощности передатчика заключена в эффектив­ ных боковых 'колебаниях и лучше используется 'приемником.

На рис. 13.6 приведены спектры ЧМ сигнала с различными па­ раметрами модуляции: частотной F модулирующего сигнала и ин­ дексом модуляции М. Амплитуда напряжения Us сохраняется по­ стоянной. Из рисунка видно, что с ростом значения М увеличи­ вается число эффективных пар боковых колебаний, более равно­

361

Осуществить такие сдвиги фаз удается только в схемах частот­ ных модуляторов, где девиация частоты Д/ не зависит от частоты сигнала, а сдвиг фазы Д<р связан с ее изменениями. При фазовой модуляции значение Дф определяется только амплитудой модули­ рующего сигнала, поэтому получить большие изменения без иска­ жений не удается. В современной схеме импульсно-фазового моду­ лятора, описанного ниже, максимальный сдвиг фазы составляет Дф=140°, т. е. значительно меньше того, который необходим даже на высших частотах модуляции. Для углубления модуляции при­ меняют многократное умножение промодулированного колебания.

В радиосвязи для коммерческой телефонии применяется узко­ полосная частотная модуляция. Для глубокой модуляции при по­

значения индекса модуляции при этом составляют М = 1—2. Поло­

13.4. СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАТЧИКА ЧМ

Общая структурная схема передатчика с частотной мо­ дуляцией приведена на рис. 13.7. Его высокочастотный тракт на­

зависимости от способа и схемы осуществления частотной модуля­ ции возбудитель может содержать различное число каскадов. Од­ нако он условно считается первым каскадом высокочастотного тракта передатчика. Все каскады тракта высокой частоты, следу­ ющие за возбудителем, работают в режиме умножения 9 и усиле­ ния частотномодулированных колебаний. Необходимость умноже­ ния частоты в тракте передатчика вызвана практической невоз­ можностью получить непосредственно в возбудителе достаточную величину линейной девиации Af, которая при МВ ЧМ радиовеща­ нии составляет 50 кГц.

В каскадах-умножителях частота колебаний и величина девиа­ ции, полученные на выходе возбудителя, умножаются в k раз, где k — общий коэффициент умножения частоты в тракте передатчика'. Рабочая частота передатчика /раб и девиация А/раб связаны на вы­ ходе возбудителя с /о и Д/Возб простыми соотношениями:

*) Обычно применяется удвоение и утроение частоты.

Например, при работе на частоте /раб = 66 МГц (Я=4,55 м) и коэффициенте умножения в тракте k = 9 (двойное утроение) сред­ няя частота и ее девиация на выходе возбудителя?

Д /ВОзб = ^ = - ^ - = 5,5 кГц.

k 9

Все каскады высокочастотного тракта передатчика работают в граничном или близком к нему режиме. Полоса пропускания всех каскадов должна быть не менее 2F-b(M+A). Основное усиление

Тракт умножения иусиления

чшжтнОмпдш1ппЛпншуДчкппрЯг1и/ш

мощности ЧМ колебаний происходит в оконечном каскаде, кото­ рый должен обладать достаточно высоким кпд.

Показатели качества работы передатчика почти полностью оп­ ределяются данными частотномодулированного возбудителя, ос­ новными из которых являются коэффициент нелинейных искаже­ ний, уровень собственных шумов, создаваемых паразитной частот­ ной модуляцией (например, из-за пульсаций питающих напряже­ ний), и частотная характеристика.

Рассмотрим более подробно схемы частотномодулированных возбудителей. Их построение определяется выбранным способом, частотной модуляции. Существуют два способа частотной модуля­ ции — прямой и косвенный. Рассмотрим каждый из них в отдель­ ности.

ПРЯМОЙ СПОСОБ

Прямой способ осуществления частотной модуляции за­ ключается в непосредственном изменении частоты задающего ге­ нератора по закону модулирующего сигнала путем соответствен­ ного изменения емкости или индуктивности его колебательной си­ стемы. Устройство, изменяющее частоту задающего генератора воздействием на его параметры, носит название частотного моду­ лятора.

На рис. 13.8 показана структурная схема получения частотной модуляции. Модулирующий сигнал Us , усиленный до требуемого

363

уровня, воздействует на частотный модулятор. Последний пред­ ставляет собой управляемое реактивное сопротивление, величина которого изменяется по закону модулирующего спадала. Он вносит в контур задающего генератора дополнительную переменную ем­ кость или индуктивность, что вызывает изменение мгновенной ча­ стоты колебания, т. е. частотную модуляцию. Средняя (несущая) частота fofcoo) и ее максимальная девиация А/возсГАювозо), полу­ чающиеся на выходе возбудителя, умножаются затем в тракте пе­ редатчика до требуемых значений /раб и A/pafi.

Достоинством прямого способа модуляции является возмож­ ность получения значительной линейной девиации частоты. Однако в задающих генераторах с.параметрической стабилизацией часто­ ты получить требуемую (порядка 10-5) стабильность средней ча­ стоты не удается. Для ее повышения схемы частотномодулированных возбудителей дополняются устройствами автоматической под­ стройки частоты (АПЧ). В зтнх устройствах применяются высоко­ стабильные, так называемые опорные, кварцевые генераторы, яв­ ляющиеся источниками колебаний эталонной частоты, с которыми сравниваются и корректируются колебания задающего генератора. Совместное применение частотномодулированпого автогенератора и устройства АПЧ позволяет получить необходимую стабильность средней частоты задающего генератора.

Частотную модуляцию можно осуществить и в кварцевом за­ дающем генераторе, воздействуя управляемым реактивным эле­ ментом непосредственно на кварц. Однако незначительная девиа­ ция частоты делает этот способ невыгодным из-за необходимости ее многократного последующего умножения. Кроме того, действие реактивного элемента в самой схеме кварцевого задающего гене­ ратора снижает общую стабильность автоколебаний.

Существует ряд схем частотных модуляторов, использующих в качестве управляемых реактивных элементов:

а) входную эквивалентную емкость модуляторной лампы; б) выходное реактивное сопротивление ламповой схемы (так

называемую реактивную лампу); в) емкость полупроводниковых приборов (диодов, варикапов

идр.).

Рассмотрим принципиальные схемы перечисленных частотных модуляторов.

Схема с использованием входной эквивалентной емкости лам­ пы *> (рис. 13.9), предложенная Г. Т. Шитнковым, применяется в передатчиках узкополосной частотной модуляции для служебной радиосвязи. Параллельно анодному контуру задающего генерато­ ра действует входная эквивалентная емкость каскада модулятора. Если нагрузкой модулятора Лм служит активное сопротивление (в данном случае контур, настроенный на среднюю частоту задаю-

‘) При накаленном катоде и меняю щ ихся потенциалах на электрод ах лам пы состояние пространственного за р я д а около катода и уп равляю щ ей сетки изм е­ няется. Это и вы зы вает изменение входной эквивалентной емкости лампы .

364

щего генератора), то входная эквивалентная емкость определяется как

СПх э —С&к+ ^ 1+ j Cag,

где отношение UJUg характеризует коэффициент усиления лампы.

Рис. 13.9. П ри нцип иальная схем а частотного м о ­ д улятора с использованием входной эквивалент­ ной емкости лам пы

Обычно в качестве модуляторной лампы выбирают пентод с пе­ ременной крутизной характеристики, коэффициент усиления кото­ рого определяется произведением SRa или в рассматриваемой схе­ ме S R се . Окончательное выражение для входной эквивалентной емкости в этом случае можно записать в виде

Под воздействием модулирующего напряжения, введенного в

цепь управляющей сетки пентода, соответственно изменяется ре­ зультирующее смещение Egpc3, а следовательно, и крутизна 5 и входная эквивалентная емкость Свхэ. Таким образом, суммарная емкость Со= С+ Свхэ контура задающего генератора будет изме­ няться в соответствии с модулирующим напряжением, что и вызо­ вет частотную модуляцию. Для неискаженной частотной модуля­ ции необходимо, чтобы между изменяющимися величинами сохра­ нялась линейная зависимость. Обычно для модуляторной лампы выбирается такой режим, при котором в отсутствие модулирующе­ го напряжения лампа заперта, а при его подаче работает на пря­ молинейном участке характеристики без сеточных токов. В этом случае модулятор не нагружает контур задающего генератора, т. е. не вызывает в нем. дополнительных потерь и паразитной амплитуд­

ной модуляции.

Можно показать, что при изменении емкости С0 контура задаю­ щего генератора на небольшую величину ±ЛС генерируемая ча­

стота изменится на величину Д / = -}- /0 Со •

365

Связь модулятора с контуром задающего генератора осуществ­ ляется через переменный конденсатор Ссв, который позволяет под­ держивать постоянной величину девиации частоты Д/(Д<о) при пе­ рестройках задающего генератора (диапазонного возбудителя) на другую частоту.

В схемах, построенных по этому принципу, удается получить неискаженную частотную модуляцию с максимальной девиацией порядка 15 кГц, что удовлетворяет требованиям получения глубо­ кой модуляции при служебной узкополосной радиосвязи.

Схема с реактивной лампой представляет собой устройство, в котором эквивалентное сопротивление между анодом и катодом лампы частотного модулятора носит емкостный или индуктивный характер и меняет свою величину в соответствии с изменениями модулирующего сигнала. В такой схеме сдвиг фаз между дейст­ вующим на лампе переменным напряжением Ua и первой гармони­

Рис. 13.10. В арианты схемы реактивной лампы

Эти сопротивления подбираются таким образом, чтобы напряже­ ние возбуждения Ug, снимаемое с сопротивления Zb было сдвину­ то на 90° по отношению к напряжению всей цепи и на лампе Ua. Сдвиг напряжения на сетке лампы вызывает соответствующий сдвиг совпадающей с ним по фазе первой гармоники тока 1 а1 по отношению к действующему на лампе напряжению Uа, т. е. делает ее анодную цепь эквивалентной реактивному сопротивлению. Если ток / а1 опережает анодное напряжение Ua (<р=+90°), то выходное сопротивление лампы ZaK имеет емкостный характер и, наоборот, при отставании тока Iai (ср = —90°) — индуктивный характер.

Для правильной работы фазирующей цепи:

366

а) сопротивление Z2 должно быть много больше Zi, так как

Ug<^Uа (и отношение — выбирается не менее 10);

2 1

б) одно из сопротивлений должно быть обязательно активным;

тока /at реактивной лампы. Это ослабляет влияние фазирующей цепи на режим задающего генератора.

Возможны четыре варианта схемы реактивной лампы, показан­ ные рис. 13Л06, в, г, д. В любом случае схема частотного модуля­ тора ведет себя либо как эквивалентная емкость Сэ (см. рис. 13.10

лампа вносит в контур автогенератора и некоторое активное со­ противление, изменение которого при модуляции может вызвать паразитную амплитудную модуляцию.

Определим эквивалентную реактивность частотного модулято­ ра, например, для схемы рис. 13.10г.

Ток через фазирующую цепь

Так как |Zt | -с |Z2|, т. е. /?2»d>Li, / ф « U jR2.

Напряжение возбуждения реактивной лампы, снимаемое с со­ противления Zi=io>Li,

Ug = / ф i со Lx« i со Ua.

Ток реактивной лампы без учета влияния анодной реакции

/ai = Scp£/g = i a ^ f * - t / a.

Сопротивление анодной цепи реактивной лампы (между точка­ ми а—к) при условии /ф<СЛн можно оценить как

крутизна характеристики лампы, которая является функцией угла

367

случае для управления эквивалентной реактивностью частотного 'модулятора должны иаполызовать’ся только ламты с те ременной крутизной характеристики.

Для того чтобы реактивное сопротивление частотного модуля­ тора было управляемым, величина Scp под воздействием модули­ рующего напряжения Us должна изменяться линейно. Это дости­ гается введением модулирующего напряжения Us в цепь управ­ ляющей сетки реактивной лампы аналогично известным схемам сеточной модуляции. Изменения результирующего смещения Egpea приводят к соответствующим изменениям крутизны SCD и эквива­ лентной емкости (индуктивности) частотного модулятора. Перво­ начальная рабочая точка (Eg0) выбирается на криволинейном участке характеристики, что обеспечивает пропорциональную за­ висимость ее средней крутизны от модулирующего .напряжения даже при небольших изменениях результирующего смещения.

Принципиальная схема частотного модулятора с реактивной лампой показана на рис. 13.11. Частотный модулятор подключен

цепи и участку анод—катод реактивной лампы приложено высоко­ частотное напряжение U& задающего генератора. Условие \Z2\^> 3>|Zi| определяет емкостный характер фазирующей цепочки, при котором ток / ф опережает по фазе напряжение Па почти на 90°. Напряжение Ug, поступающее на управляющую сетку с сопротив­ ления RI, совпадает с током /ф фазирующей цепочки. Ток первой гармоники 7ai совпадает по фазе с напряжением Ug и опережает почти на 90° Ua, поэтому реактивная лампа в этой схеме играет роль эквивалентной емкости. Если на сетке реактивной лампы при­ сутствует только постоянное смещение Eg0, то частота автоколеба­ ний соответствует средней частоте fa(a>o), определяемой суммарны­ ми значениями параметров контура задающего генератора с уче­

368

том емкости Са (или индуктивности L3), вносимыми частотным модулятором. Так, если сопротивление частотного модулятора име­ ет емкостный характер (см. рис. 13.10в, г), то

(13.11)

2 л У С а Z-!

где Co=Ci + C2 — общая емкость контура.

Если же сопротивление частотного модулятора эквивалентно индуктивности (см. рис. 13.106, д), то

(13.12)

2 я У С 1 L 0

где L0 = L lLJ(L[ + L3) — общая индуктивность контура.

Таким образом, при воздействии модулирующего напряжения емкость (индуктивность), вносимая частотным модулятором в кон­ тур задающего генератора, изменяется, что приводит к изменени­ ям частоты автоколебаний.

Рассмотрим изменения частоты автоколебаний в процессе мо­

В процессе модуляции емкость частотного модулятора изменя­ ется АСЭ= 3 пФ, т. е. от 37 до 43 пФ. Предельные изменения часто­ ты автоколебаний'' в процессе модуляции соответствуют крайним значениям общей емкости контура (С0—АСЭ) и (C0+AC3J. Так, максимальная частота

а минимальная

2 л V 103-10—12- 120- К)-6

Таким образом, девиация частоты

Частотный модулятор с реактивной лампой в диапазоне рабо­ чих частот до /о= 50 МГц практически обеспечивает максимальную девиацию частоты порядка 2% от средней, т. е. Af=0,02/o- Более глубокая модуляция, требующая увеличенную амплитуду модули­ рующего напряжения и сильную связь частотного модулятора с контуром задающего генератора, приводит к нежелательной пара­ зитной амплитудной модуляции. Последняя возникает из-за изме­ нения сопротивления R се = р 2/(Л( + гв„) контура задающего генера-

36Э

тора вследствие вносимых дополнительных потерь гвп, вызываемых неточной фазировкой реактивной лампы. Эти потери изменяются в такт с модулирующим напряжением. Для уменьшения паразитной амплитудной модуляции следует увеличить отношение сопротив­ лений фазирующей цепи Z2/Z! и уменьшить степень связи частот­ ного модулятора с контуром задающего генератора. Полезно так­ же режим автогенератора выбрать перенапряженным, чтобы осла­ бить влияние нагрузки на амплитуду колебаний.

В частотных модуляторах с реактивной лампой из-за неста­ бильности питающих напряжений (особенно в цепи смещения) возникает также паразитная частотная модуляция. Для ее умень­ шения все источники напряжения частотномодулируемых возбуди­ телей стабилизируются. Весьма эффективным является способ па­ раллельного включения двух реактивных ламп, одна из которых эквивалентна емкости Сэ, а другая — индуктивности Ьэ. Модули­ рующее напряжение на сетки ламп подается в противофазе. Обе лампы включаются параллельно контуру задающего генератора. Таким образом, все изменения, связанные с колебаниями питаю­ щих напряжений, взаимно компенсируются, а девиация частоты по­ лучается удвоенной по сравнению с девиацией при действии одной реактивной лампы. По этому принципу построены многие возбу­ дители частотномодулированных радиопередатчиков диапазо­ на укв.

В качестве частотных модуляторов с успехом применяются схе­ мы с полупроводниковым диодом, где запертый отрицательным напряжением полупроводниковый диод действует как переменная реактивность, управляемая модулирующим сигналом. Их прин­ цип действия основан на известном свойстве р-/г-перехода изме­ нять величину переходной емкости Сп под действием приложенно­ го напряжения. Такой прибор может служить безынерционной емкостью, величина которой управляется обратным напряжением (—Ея). Характер зависимости емкости диода от величины обрат­ ного напряжения (—ЕЛ) показан на рис. 13.12 и для большинства

типов выражается зависимостью Сп » - ==, где к' — постоянный

V Ед

коэффициент, определяемый экспериментально для данного типа диода. Максимальная величина возможного обратного напряже­ ния не должна превышать |£ ДМакс| г^0,8£Проб (£проб— пробивное напряжение).

Эквивалентную схему диода, используемого в качестве реактив­ ного элемента, можно представить в виде последовательного или параллельного соединения меняющейся емкости С и эквивалентно­

тается запертым.

Одна из схем частотного модулятора с полупроводниковым ди­

рый через конденсатор Ссв включен параллельно контуру задающе­

370