книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

Г л а в а V

Особенности приемников частотно-модулированных сигналов

§ 5.1. Спектр ЧМ сигналов

Непрерывный высокочастотный радиосигнал

ров — амплитуду, частоту или фазу по закону модуляции, получают соответственно амплитудно-модулированные, частот- но-модулированные или фазо-модулированные колебания. На приемной стороне после соответствующей обработки принято­ го сигнала выделяют запечатленный в нем первоначальный модулирующий сигнал.

В случае амплитудной модуляции низкочастотный гармо­

нический сигнал

и, — V cos 2 Мt

передается путем изменения амплитуды Е высокочастотного

колебания по закону модуляции.

Принятое на приемной стороне AM колебание-

е =. Ет(1 4- т cos Q„ t) sin со t

детектируется, и на выходе приемника получается, сигнал,, подобный модулирующему.

Полезный сигнал можно также передать путем модуляции частоты, мгновенное значение которой должно следовать за­ кону изменения модулирующего сигнала во времени.

В случае гармонического модулирующего сигнала мгновен­

180

показано Е. И. Манаевым, в случае гармонической модуляции ширина спектра сигнала определяется следующим выражением:

Следовательно, чем больше индекс модуляции, а при дан­ ной частоте модуляции, чем больше девиация, тем шире долж­ на быть полоса пропускания приемника для неискаженного усиления сигнала.

opS

0,5 %,’O.s

op

J_______ ______ 1_____ -

У . У

1

can a t

Рис. 5.1.

В случае малого индекса модуляции Фш<11 ширина спект­ ра ЧМ сигнала оценивается удвоенной максимальной частотой модуляции

182

Так как наибольшие выгоды представляет широкополос­ ная ЧМ, то спектр ЧМ сигналов оказывается, как правило, значительно более широким, чем при AM.

Для обеспечения достаточно большой девиации частоты и широкой полосы пропускания приемника приходится работать в диапазоне СВЧ, поэтому ЧМ, как правило, применяется именно в этом диапазоне.

Принятые ЧМ колебания должны обрабатываться в приему нике с тем, чтобы выделить переданный модулирующий сиг­ нал. Такая обработка заключается в преобразовании частотномодулированного колебания в амплитудно-модулированное с последующим детектированием AM сигнала обычным детек­ тором.

Частотная модуляция в передатчике сопровождается пара­ зитной амплитудной модуляцией. Кроме того, при прохожде­ нии ЧМ сигнала в самом приемнике неизбежно появляется нежелательная амплитудная модуляция, которая вызывает реакцию амплитудного детектора и искажает форму модули­ рующего напряжения, т. е. приводит к нелинейным искаже­ ниям. Поэтому перед частотным детектором в приемниках ЧМ сигналов обычно осуществляется ограничение амплитуды.

На принимаемый ЧМ сигнал всегда воздействуют внешние и внутренние помехи, которые модулируют его по амплитуде. Ограничитель помогает устранить амплитудную модуляцию ЧМ сигнала и позволяет уменьшить действие помех.

Таким образом, выясняется ряд особенностей приемников • ЧМ сигналов: широкая полоса пропускания, необходимость специального частотного детектора, необходимость ограничи­ теля.

Какие же преимущества представляет применение ЧМ? Здесь прежде всего следует отметить более высокую помехо­ устойчивость приема, о количественной оценке которой будет сказано ниже, повышенное использование установленной мощ­ ности ламп передатчика, возможность увеличения динамиче­ ского диапазона передаваемых сигналов.

183

§ 5.2. Блок-схема приемника ЧМ сигналов

Блок-схема приемника ЧМ сигналов (рис. 5.2) во многом совпадает со схемой приемника AM сигналов.

Входная цепь, усилитель высокой частоты," преобразова­ тель, усилитель промежуточной частоты и усилитель низкой частоты принципиальных отличий не имеют (имеются лишь, некоторые отличия, связанные, например, с расширением по­ лосы пропускания, режимом работы ограничителя и др.).

Рис. 5.2.

Существенное отличие приемника ЧМ сигналов от прием­ ника AM сигналов заключается в том, что для преобразования ЧМ сигналов в первом применяется специальный детектор и, кроме того, выходной каскад УПЧ, как правило, (но не всег­ да) работает в режиме ограничения амплитуды.

Таким образом, изучение особенностей приемников ЧМ сиг­ налов сводится,к изучению частотных детекторов и ограничи­ телей амплитуды, которые и описываются в последующих параграфах.

§ 5.3. Частотный детектор с одиночным расстроенным колебательным контуром

Детектирование ЧМ колебания сводится к преобразованию его в амплитудно-модулированное с последующим детектирова­

нием AM сигнала обычным способом.

Частотный детектор должен иметь элемент, чувствитель­ ный к изменению частоты; более того, он должен иметь эле­ мент, который на изменение частоты входного сигнала (откло­ нение ее от несущей) откликается соответствующим измене­ нием амплитуды выходного сигнала. Закон изменения ампли­ туды выходного сигнала при этом должен повторять закон изменения частоты входного сигнала. Если линейного соответ­ ствия между указанными законами нет, то на выходе частот­ ного детектора появятся нелинейные искажения.

В простейшем виде чувствительным к изменению частоты элементом может служить одиночный колебательный контур,

184

расстроенный относительно несущей частотно-модулированно- го колебания и нагруженный на амплитудный детектор. Ца рис. 5.3 представлена схема простейшего частотного детектора.

Работа частотного детектора с одиночным/ колебательным; контуром иллюстрируется с помощью рис. 5.4, где изображена резонансная кривая колебательного контура, схематически показан закон изменения частоты входного и закон изменения амплитуды выходного сигналов.

Если колебательный контур настроить так, чтобы несущая, частота ( / о ) ЧМ сигнала пришлась на средину линейного;

участка резонансной кривой контура, то можно осуществить преобразование изменения частоты в изменение амплитуды.

Практически рассмотренный способ частотного детектиро­ вания применяется в служебной аппаратуре, где девиация ча­ стоты АшП1 ( допустимая в этом случае, незначительна. Дело в том, что нелинейность резонансной характеристики контура, которая вызывает нелинейные искажения выходного сигнала, с,ростом девиации сказывается все более и более заметно. ■

§ 5.4. Частотный детектор с парой расстроенных контуров

Наибольшие выгоды представляет широкополосная ЧМ. Поэтому вполне естественно стремление' обеспечить неиска­ женное детектирование сигналов, обладающих достаточно большой девиацией частоты. Для этого необходимо обеспечить возможно больший линейный участок детекторной характери­ стики.

Детекторной характеристикой частотного детектора назы­ вается зависимость выходного напряжения от приращения частоты детектируемого сигнала (относительно несущей). Чем больше линейный участок детекторной характеристики, тем большее отклонение частоты принимаемого сигнала от несу­ щей допустимо с точки зрения нелинейных искажений.

Детектор с одиночным расстроенным контуром обладает незначительным линейным участком детекторной характери­ стики, так как его детекторной характеристикой является одна из ветвей резонансной кривой контура. Значительно большие возможности открывает детектор с парой расстроенных кон­ туров. Его схема представлена на рис. 5.5.

186

Работа устройства поясняется с помощью рис. 5.6, на ко­ тором изображена детекторная характеристика, схематически

t

Рис. 5.6.

Следовательно, детекторная характеристика представляет­ ся в данном случае как разность ординат резонансных харак­ теристик контуров, смещенных относительно несущей ЧМ сиг­

нала /о- На рис. 5.6 резонансная характеристика второго контура

для удобства изображена пунктиром в «перевернутом» виде

187

так, что сумма ординат £Л и U2 составляет ординату детек­ торной характеристики.

Колебательные контуры подбираются идентичными, а их расстройка относительно / 0 делается одинаковой. Поэтому на несущей частоте выходное напряжение (Лых = 0 , при отклоне­ нии частоты сигнала от / о выходное напряжение также от­ клоняется от нуля, причем изменение напряжения на большом участке линейно зависит от изменения частоты. Следователь­ но, рассматриваемый частотный детектор обладает большим линейным участком детекторной характеристики и позволяет детектировать ЧМ сигналы с большой девиацией частоты.

Чувствительность частотного детектора характеризуется крутизной детекторной характеристики 5чд. Если аналитиче­ ское выражение детекторной характеристики записать как не­ которую функцию расстройки (отклонения частоты сигнала от несущей)

tAbi* = /W c ),

где Д/с — расстройка частоты входного сигнала относитель­ но /о , то чувствительность частотного детектора оценивается значением производной этой функции при расстройке равной нулю (Д/с = 0 ):

Детекторная характеристика рассматриваемого частотного детектора оказывается достаточно крутой, ее крутизна полу­ чается в два раза больше, чем в случае детектора с одиноч­ ным контуром. Детектор с двумя расстроенными контурами обладает более высокой чувствительностью — малым прира­ щениям частоты соответствуют достаточно большие прираще­ ния выходного напряжения.

Детектор с двумя расстроенными контурами обладает весь­ ма высокими качествами, однако он обладает также одним существенным недостатком, который объясняет сравнительно редкое его применение в специальных приемниках. Недостаток этот заключается в том, что детектор весьма сложен в изготов­ лении и налаживании.

Схемы частотных детекторов, рассмотренных выше с двумяамплитудными детекторами, называют двухтактными, балансными.

183.

Одним из достоинств балансных схем является то, что при отсутствии полезного ЧМ сигнала (Д/с = 0) они не воспроиз­ водят на выходе помеху, которая модулирует несущую по ам­ плитуде.

§ 5.5. Частотный детектор со связанными контурами

Различают два типа схем двухтактных частотных детекто­ ров — схемы дифференциального типа и схемы мостового типа.

Схемы дифференциального типа называются иначе дискри­ минаторами или различителями. Они отличаются тем, что вы­ ходное напряжение £Лых пропорционально или равно разно­ сти напряжении обоих-плеч. Так, рассмотренная выше схема с парой расстроенных контуров является дискриминатором, так как выходное напряжение ее равно разности напряжений обоих плеч.

Схемы мостового типа отличаются тем, что сумма напря­ жений плеч не зависит от изменения частоты, меняется только их отношение.

Поэтому мостовые схемы называют иначе детекторами от­ ношений или дробными частотными детекторами.

. В настоящем параграфе рассматривается широко распро­ страненная схема частотного дискриминатора со связанными контурами (рис. 5.7).

Последний каскад УПЧприемника, работающий в режиме ограничения амплитуды, собран на лампе Jlv Его нагрузкой служит система связанных контуров I и II, порознь настроен­

189