книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

3.Как изменится частота генерируемых колебаний в схеме (см. рис. 103, а), если входное сопротивление усилителя резко уменьшится?

4.Рассмотрите процесс возникновения автоколебаний в ламповом блокинггенераторе.

5.Рассмотрите процесс возникновения автоколебаний в мультивибраторе

Глава XVI

ТРАНСФОРМАЦИЯ СПЕКТРОВ СИГНАЛОВ

Одной из важнейших операций, выполняемых над сигналами,

ленту при одной скорости движения, а при воспроизведении скорость движения ленты изменить, то произойдет не только трансформация спектра, но и изменение масштаба времени. Например, пусть исход­

Таким образом, при изменении масштаба времени (скорости движения ленты) в т раз масштаб частот изменился в [т]'1 раз. Например, если в течение 1 сек записан сигнал с частотой в 1000 гц. а при воспроизведении скорость уменьшена в 100 раз, то длитель­ ность сигнала возрастет до 100 сек, а частота уменьшится и станет равной 10 гц.

210

Трансформация спектра с изменением масштаба времени широко применяется в радиоэлектронике, в частности для ввода и вывода сигналов в ЭВМ.

Изменение масштаба времени не происходит, если производится линейный перенос спектра сигнала путем увеличения или уменьше­ ния частоты каждой спектральной составляющей на значение Дсо (рис. 109, а).

Линейный перенос спектра из низкочастотной области в высоко­ частотную принято называть амплитудной модуляцией, поскольку

S/a>)

Рис. 109.

при этом амплитуды спектральных составляющих трансформирован­ ного сигнала строго пропорциональны амплитудам соответствующих спектральных составляющих исходного сигнала. При нелинейном переносе спектра в область высоких частот (частотной или фазовой модуляции) амплитуды спектральных составляющих трансформи­ рованного сигнала не зависят от амплитуд исходного сигнала. При этом распределение частот спектральных составляющих трансфор­ мированного сигнала определяется распределением амплитуд в спектре исходного сигнала.

Обратный перенос спектра преобразованного сигнала из высоко­ частотной области в низкочастотную принято называть детекти­ рованием.

Модуляция и детектирование осуществляются с помощью нели­ нейных и параметрических элементов.

§65. Амплитудная модуляция

•Рассмотрим простейший амплитудный модулятор (рис. 109, б), состоящий из нелинейного элемента с квадратичной вольт-амперной

постоянная составляющая, переменные составляющие с удвоенными

сплошной спектр, простирающийся от сон до сов ( рис. 109, г), то после

выделить основной трансформированный спектр или его зеркальное отображение. Применив несколько дополнительных нелинейных элементов, можно обойтись и без применения фильтров, сфазировав отдельные ненужные составляющие таким образом, чтобы они вза­ имно компенсировались.

В общем случае амплитудно-модулированный сигнал предста­ вляет собой произведение несущего высокочастотного колеба­ ния Uу (t) (необязательно синусоидальной формы) на низкочастотный сигнал U 2 (t). Поскольку радиоэлектроника не располагает про­ стыми и идеально работающими перемножителями, в качестве ампли­ тудных модуляторов используются косвенные нелинейные пере­ множители (рис. 110, а). Модулятор может быть выполнен на транзисторе, коллекторный ток которого

6 8 .

212

бание верхней боковой частоты (рис. 110, в). С информационной точки зрения оба боковых колебания равноценны, поскольку одинаково^

полосы.

Подавление несущей обычно производится за счет применения двухтактных модуляторов, выполненных таким образом, что коле­ бания с несущей частотой оказываются противофазными и при сум­ мировании уничтожаются (рис. 111, а). Действительно, пусть вольтамперные характеристики первого и второго нелинейных усилителей одинаковы

На вход верхнего нелинейного усилителя подается сумма сигна­ лов U\ (t) - j ~ U2 {t), на входе нижнего действует их разность Uх (t) — U2 (t). На выходах нелинейных усилителей имеем:

213.

Практическая схема балансного модулятора (для звуковых и ультразвуковых частот) приведена на рис. 111, б. Первый и второй трансформаторы выполняют роль сумматоров и инверторов. В каче­

Для получения однополосного модулированного сигнала можно применить фильтры или сфазировать сигналы так, чтобы ненужные составляющие уничтожались.

sin шЛ

Рис. 112.

Амплитудную модуляцию можно также осуществить с помощью параметрических элементов. Пусть имеется резистор, проводимость которого изменяется в небольших пределах около среднего значе­ ния у0 (рис. 112, а):

Таким образом, и параметрический резистор может быть исполь­ зован для амплитудной модуляции. Также могут быть применены параметрические конденсаторы (например, полупроводниковые или сегнетоэлектрические) и параметрические катушки индуктивности

214

(имеющие сердечники из ферромагнитных материалов). Если имеется параметрический конденсатор (рис. 112, б), емкость которого изме­ няется по закону

то в цепи будет протекать ток

dQ(t)

M 9 = - ^ - i r l c ( 9 t f ( ' ) ] ~

содержащий составляющие с суммарной и разностной частотами. Параметрические амплитудные модуляторы находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, в том числе геофизи­

реле на выходе имеется сигнал, при разомкнутых — сигнал равен

Если время, в течение которого контакты реле разомкнуты и за­ мкнуты одинаково и равно половине периода коммутации tp = t3 =

215

В случае входного синусоидального сигнала U (t) — U sin Qt -спектр преобразованного сигнала будет

в случае очень малых напряжений входного сигнала (доли-единицы микровольт). В остальных случаях применяются модуляторы на

аамплитуда остается неизменной.

Впростейшем случае частотная модуляция может быть получена с помощью варикапа, включенного в LC колебательный контур генератора несущих колебаний (рис. 114, а). Изменение амплитуды

216

где А со — максимальное отклонение (девиация) частоты;

может быть разложено на элементарные синусоидальные составля­ ющие, амплитуды которых определяются значениями функций Бесселя первого рода

Таким образом, спектр ЧМ колебания состоит из множества со­ ставляющих, отличающихся друг от друга по частоте на Q герц.

Эффективная ширина спектра ЧМ колебания примерно равна удвоенному значению девиации частоты 2Дсо при больших индексах модуляции и приближается к 2 0 , при малых.

Для частотной модуляции на звуковых и ультразвуковых часто­ тах используются управляемые импульсные генераторы, мульти­ вибраторы, блокинг-генераторы и т. д. При этом модулированное напряжение получается в виде последовательности импульсов, моду­ лированных по частоте следования (ЧИМ).

Однако если при фазовой модуляции изменяется непосредственно фаза колебания, то при частотной — ее первая производная по времени.

Фазовая и частотная модуляции при одинаковых индексах моду­ ляции имеют примерно одинаковые спектры. Имеется много различ­ ных способов получения фазовой модуляции. Наиболее простым является способ изменения фазы несущего колебания путем расстройки колебательного контура (а следовательно, изменения

21Т

фазового сдвига в нем) с помощью управляемого низкочастотным сигналом варикапа (рис. 114, б).

Если несущее колебание является импульсным, то имеет смысл говорить не о фазовой модуляции, а о время-импульсной модуляции (ВША). При время-импульсной модуляции (рис. 115, а) с изменением входного низкочастотного сигнала изменяется положение импуль­ сов. ВИМ может быть осуще­

е -

Рис. 115. Рис. 116.

вить широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой в зависи­ мости от уровня входного сигнала изменяется ширина (длительность) несущих импульсов. Одним из простейших способов получения ШИМ является суммирование треугольного несущего колебания с низкочастотным сигналом с последующим двусторонним усиле­ нием-ограничением (рис. 116, а, б).

§ 68. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов

Детектированием называется обратный перенос спектра модули­ рованного сигнала из области высоких частот в область низких частот, в которой ранее находился спектр исходного сигнала.

218

Рассмотрим детектирование амплитудно-модулированных сигна­ лов. Поскольку амплитудно-модулированный сигнал появляется в результате перемножения напряжения исходного сигнала на на­ пряжение несущей частоты

17ам(*) = £М9#»(0.

естественно предположить, что для выделения исходного сигнала необходимо разделить амплитудно-модулированный сигнал на напряжение несущей

Ui(t) -U*W-

Однако радиоэлектроника не располагает простыми устрой ствами, непосредственно выполняющими эту операцию.

Выделение исходного сигнала также возможно, если произвести повторное умножение A M сигнала на напряжение с несущей частотой

Если произвести повторное умножение, то выделится исходный сигнал

U„ (t) — (7дм (0 <70sinco0£ = U% sin2 co0 £ [1 + m s i n Qt] —

Первый и третий члены этого выражения — побочные продукты детектирования (постоянная составляющая и вторичный A M сигнал)

могут быть легко отделены от исходного сигнала — mU% sinQif с по­ мощью фильтров. Также с помощью синхронного детектора может быть произведено детектирование балансно-модулированных и одно­ полосных A M сигналов. При этом возникает не всегда легко раз­ решимая задача: необходимо иметь дополнительное колебание несу­ щей частоты, синфазное с исходным несущим колебанием. Если модулятор и детектор пространственно разделены (как, например, в радиосвязи), то приходится это дополнительное колебание генери­ ровать и подстраивать его частоту и фазу с высокой степенью точ­ ности. Схемы синхронных детекторов идентичны схемам балансных, кольцевых и параметрических амплитудных модуляторов, что вполне очевидно по характеру выполняемой операции (перемножение одного напряжения на другое).

При синхронном детектировании выделение исходного сигнала возможно за счет того, что напряжение несущей умножается само на себя — возводится в квадрат. Поэтому очевидно, что если A M

219