Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№17

Передатчик с амплитудной модуляцией

Простейшая схема передатчика с амплитудной модуляцией несущего коле­бания (рис. 8.1) содержит возбудитель, каскады умножения частоты (УЧ), уси­ления мощности (УМ), усилитель низкой частоты (УНЧ), на который подается передаваемый сигнал u_вх) и амплитудный модулятор (AM).

Рис. 8.1. Структурная схема передатчика с амплитудной модуляцией

Возбудитель представляет собой маломощный задающий автогенератор, стабилизированный кварцевым резонатором. Малая мощность задающего ав­тогенератора позволяет использовать при его разработке более высокочас­тотные полупроводниковые приборы, обладающие меньшей инерционно­стью, обеспечивает облегченный тепловой режим работы усилительного при­бора и кварцевого резонатора, что повышает стабильность частоты. Кварце­вые автогенераторы пока работают на сравнительно невысоких (до сотен МГц на гармониках кварца) частотах. Поэтому после задающего генератора включают каскады умножителей частоты, которые повышают частоту коле­баний до величины несущей. Часто в умножителях частоты осуществляется еще и увеличение мощности колебаний. Для создания требуемой мощности на выходе передатчика в схеме применяются усилители мощности. Как пра­вило, усилители мощности радиосигнала включены между каскадами умно­жителей частоты, и весь такой тракт называют усилительно-умножительной цепочкой. Выходной усилитель мощности передатчика нагружен на фидер (волновод, кабель и т. п.), соединенный с антенной.

Амплитудная модуляция осуществляется обычно в выходном усилителе мощности. Часто такой усилитель мощности является оконечным каскадом передатчика.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Как известно, в соответствии с ГОСТом на термины в радиосвязи модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких пара­метров несущего радиочастотного колебания в соответствии с измене­нием параметров передаваемого (модулирующего) сигнала. Несущая или несущее колебание — электрическое или электромагнитное колеба­ние, предназначенное для образования радиочастотного сигнала с по­мощью модуляции. Модулирующий сигнал содержит в себе подлежа­щую передаче информацию. В случае амплитудной модуляции (AM) изменяемым (модулируемым) параметром гармонической несущей яв­ляется амплитуда колебаний I=I(t), изменяющаяся пропорционально подлежащему передаче сигналу U_Ω(t); в результате модуляции получа­ется сложное негармоническое колебание.

В настоящее время основными областями применения AM являются: звуковое радиовещание на «длинных», «средних» и «коротких» волнах (диапазоны частот НЧ, СЧ и ВЧ) и телевизионное вещание в метровом и дециметровом диапазонах (ОВЧ и УВЧ) — передатчики изображения (см. табл. 1.1). Для целей радиосвязи AM применяется в авиации в диапазонах 118... 136 МГц (ближняя радиосвязь). В отечественной прак­тике AM применяется также в трехпрограммном проводном вещании.

Наметилась тенденция постепенного перехода в радиовещании от AM к однополосной (см. гл. 7). В первую очередь на систему однопо­лосной модуляции (ОМ) планируется перевести вещание в диапазоне ВЧ. Прорабатывается применение варианта ОМ, совместимого с ис­пользуемой в настоящее время и сохраняющейся на ближайшее будущее AM [58, 78].

Для создания информационных и художественных программ звуко­вого радиовещания существуют специальные предприятия — радиове­щательные студии, радиодома. Студии центрального вещания расположены в Москве. Во многих крупных городах есть студии мест­ного радиовещания [10].

Подлежащее передаче сообщение в форме человеческой речи, музы­ки и т. п. с помощью микрофона преобразуется в электрический сигнал со сложным спектром в области тональных (звуковых) частот. Этот сигнал по специальным каналам электросвязи (кабельным, радиорелей­ным или др.) передается на радиовещательные передатчики, распола­гающиеся обычно за городом на так называемых радиопередающих центрах (станциях).

Звуковой сигнал характеризуется шириной занимаемой полосы час­тот (Ω_min…Ω_max) и интенсивностью (напряжением U_Ω). В соответствии с передаваемой речью, музыкой или их сочетанием меняются составляю­щие спектра и их величины; звуковой сигнал вещания является случай­ным процессом [10]. Для передатчика этот сигнал является модулирующим.

Распределение мощности сигнала в полосе звуковых частот характе­ризуется спектральной плотностью S(Ω) [или S(F)]. На рис. 6.1 показа­на спектральная плотность русской речи, отнесенная к максимальной спектральной плотности, наблюдающейся на частоте вблизи F= 300 Гц. Как видно, спектральная плотность весьма неравномерна. Весь спектр акустических колебаний, воспринимаемый человеческим ухом, занима­ет широкую полосу частот — примерно 20...20 000 Гц; максимум чувст­вительности уха около 1000 Гц. Наиболее «мощные» спектральные составляющие человеческого голоса сосредоточены в узкой полосе 200...600 Гц.

Для обеспечения разборчивого восприятия речи при радиотелефон­ной связи (так называемая коммерческая радиотелефония) достаточно равномерно пропускать через передатчик полосу модулирующих частот 300...3400 Гц (в некоторых случаях 300...3000 или др.) с допустимой неравномерностью в этой полосе примерно ±(2...3) дБ. Для обеспечения эстетического восприятия в радиовещании необходимо с заданной до­пустимой неравномерностью передавать существенно более широкую полосу частот: для высшего класса (MB ЧМ вещание, см. гл. 8) 30... 15 000 Гц, для первого класса (звуковое сопровождение телевиде­ния) 50...10 000 Гц, для второго класса (вещание с AM на длинных, средних и коротких волнах) 100...6300 Гц при допустимой неравномер­ности около ±(0,7... 1,5) дБ. Требова­ния к показателям качества передат­чика того или иного назначения приводятся в соответствующих ГОСТах [82, 83].

Рис. 6.1. Спектр речевого сигнала

Большинство подлежащих пере­даче по радиоканалам сигналов u(t) (речевой, музыкальный и т. п.) име­ют среднее значение u₀ = 0. Исклю­чение составляет телевизионный сигнал изображения, содержащий в себе информацию о средней освещенности передаваемого изображения (подробнее см. гл. 9).

Стандарты предусматривают определенные энергетические и каче­ственные показатели (параметры качества) передатчиков, измеряемые при подаче испытательных сигналов в форме гармонических звуковых сигналов. Анализ режима работы каскада передатчика при модуляции в первом приближении также лучше (нагляднее) провести в предполо­жении гармонического модулирующего сигнала. Поэтому в дальней­шем основные соотношения для AM определим при гармоническом (косинусоидальном) модулирующем сигнале

. (6.3)

В ряде случаев учтем также статистику реального звукового сигнала.

При амплитудной модуляции, т. е. при воздействии модулирующего (звукового) напряжения вида (6.3) на анодный ток ГВВ, составляющие спектра тока вблизи первой гармоники изменяются по закону

. (6.4)

На рис. 6.2 показано модулированное колебание вида (6.4). Огибаю­щая модулированного колебания воспроизводит форму напряжения звуковой частоты. Колебание (6.4) может быть представлено как сумма трех синусоидальных колебаний:

. (6.5)

Рис 6.2. Временная диаграмма AM сигнала

Рис. 6.3. Спектр AM колебания при модуляции одним (а) и

тремя (б) гармоническими колебаниями

Рис. 6.4. Векторная диаграм­ма AM колебания при

моду­ляции одним гармоническим колебанием

Средняя мощность амплитудно-модулированного колебания обыч­но определяется для среднестатистических значений коэффициентов модуляции:

где m_ср − среднее значение коэффициента модуляции на длительное время.

Для получения большей дальности связи и (или) улучшения отноше­ния сигнал/шум в месте приема необходимо увеличивать мощность боковых составляющих AM колебания. Следовательно, нужно стре­миться к большей глубине модуляции т → m_max → 1, т. е. токи антенны I_А и анодной цепи I_а1 лампы (транзистора) должны линейно меняться от некоторого максимума до нуля. Учитывая, что , имеем .

Передатчики с AM проектируются как т_тах = 1. Полагая р = 3,5...4, получаем т_ср = 0,35...0,4. Это означает, что доля боковых полос при модуляции составляет 1,5...2,2 % Р_1max и номинальная мощность ламп (или транзисторов) используется крайне незначительно. Информация содержится именно в боковых полосах. Следовательно, важная энерге­тическая особенность AM (независимо от способа реализации) состоит в следующем: для передачи сравнительно малой мощности бо­ковых полос требуется пиковая мощность передатчика Р_1max. И это несмотря на то, что пиковые значения модулирующего сигнала появля­ются сравнительно редко. При высокохудожественной передаче предъ­являют очень жесткие требования к нелинейным искажениям, и поэтому приходится мириться с плохим использованием ламп.

При передаче речевых сигналов на вход модуляционного устройства передатчика подаются ограниченные по амплитуде звуковые сигналы; допустимый уровень искажений достигается использованием сложных устройств ограничения [10]. Степень ограничения обычно не превосхо­дит 12 дБ: C_огр = 20·log(U_m/U_огр) ≤ 12 дБ, где U_огр — напряжение, соответ­ствующее началу ограничения; U_m — амплитудное значение напряже­ния, подаваемого на ограничитель. Этим достигается уменьшение пик-фактора (так как возрастает среднее значение сигнала), увеличение громкости, а следовательно, и мощности боковых полос. Такая модуля­ция называется трапецеидальной, ибо форма огибающей сходна с трапе­цией (рис. 6.5). Средний коэффициент модуляции получается равным 0,7...0,8. Однако увеличение степени ограничения более чем на 12 дБ нежелательно из-за роста искажений.

Рис. 6.5. Временная диаграмма при мо­дуляции

реальным сигналом с учетом ограничения

Существует много различных методов получения AM. В подавляю­щем большинстве модуляция достигается изменением (модуляцией) на­пряжения на каком-то электроде лампы или транзистора; иногда одновременно меняются два или три напряжения — так называемая комбинированная модуляция. Зависимость режима ГВВ от питающих напряжений изложена в § 2.12.

Рис. 6.6. График зависимости коэффициента глубины амп­литудной

модуляции и коэф­фициента нелинейных искажений от напряжения

гармонического модулирую­щего сигнала

Судить о пригодности генератора для AM можно по его так называ­емым статическим модуляционным характеристикам (СМХ), т. е. по зависимости I_а1, I_а0, I_А, Р₁, Р₀, η от какого-то одного питающего напря­жения Е_а, Е_с, Е_с1, U_c при простой AM или от совместного одновремен­ного изменения двух или трех напряжений при комбинированной AM. Статическими эти характеристики называются потому, что они снима­ются за счет изменения постоянного напряжения (или Е_а, или Е_с1,) или за счет изменения амплитуды напряжения возбуждения ГВВ U_с; моду­лирующее напряжение звуковой частоты при этом отсутствует: U_Ω = 0.

Статическая модуляционная характеристика каскада ГВВ с AM не учитывает зависимости его качественных и энергетических показателей от нелинейности входного сопротивления модулируемого ГВВ и часто­ты модулирующего сигнала Ω. Для выявления этих важных зависимос­тей исследуется динамическая модуляционная характеристика модули­руемого ГВВ, т. е. зависимость коэффициента глубины амплитудной модуляции и других показателей режима от амплитуды модулирующего (звукового) напряжения U_Ω. Измерения проводятся на частотах, пред­усмотренных ГОСТом; в простейших случаях это либо 400, либо 1000 Гц. С помощью специальных измерительных (или грубо по осциллографу) измеряется глубина модуляции для положительного и отрица­тельного полупериодов огибающей AM колебания:

и ,

где ; (см. рис. 6.2 и 6.6). Совпадение этих зависимостей () и их линейность говорят о симметричности модуляции и малых нелинейных искажениях, харак­теризуемых коэффициентом гармоник .

Для радиовещательного передатчика с AM по ГОСТу в полосе час­тот 100...4000 Гц и при глубине модуляции т ≈ 50 % коэффициент гармоник K_г ≤ 1 %, а при т = 90 % K_г ≤ 2 %.

Полоса модулирующих частот Ω_min… Ω_max и допустимая неравномер­ность модуляции т = f(Ω) при U_Ω = 0,5·U_а.max = const характеризуют амплитудно-частотную характеристику передатчика (АЧХ), иначе го­воря — частотные искажения (рис. 6.7).

В соответствии с международным «Регламентом радиосвязи» (М.: Радио и связь, 1985) AM для целей звукового радиовещания или для радиотелефонной связи имеет условное обозначение АЗЕ (устаревшее и отмененное обозначение A3).

Модулятором (модулируемым каскадом) радиопередатчика называ­ется устройство (каскад), в котором осуществляется процесс модуля­ции (ГОСТ 24375—80). Это каскад усиления радиочастоты (см. рис. 1.2) между возбудителем и выходом передатчика (антенной), т. е. либо вы­ходной (оконечный), либо какой-то промежуточный каскад.

Модулирующее (звуковое) напряжение (сигнал) поступает на пере­датчик от источника информации, например от микрофона в радиове­щательной студии. Для обеспечения работы модулятора, как правило, необходимо предварительное усиление модулирующего сигнала. В передатчике для этого предусматривается тракт усиления звуковой час­тоты (модуляционное устройство), выходной каскад которого условно назовем мощным усилителем звуковой частоты (МУЗЧ) — модулирую­щим каскадом. Структурные схемы передатчиков с AM показаны на рис. 6.8.

Рис. 6.7. Амплитудно-частотная характеристика

Рис. 6.8. Структурные схемы пере­датчиков с амплитудной

модуля­цией в выходном каскаде (а), промежуточном каскаде (б)

и при использовании сложения мощнос­тей (в)

Как уже говорилось в гл. 1, электромагнитная совместимость (ЭМС) является важнейшим условием, предъявляемым к современным радио­электронным устройствам и к радиопередатчикам в том числе.

Наряду с допустимыми нестабильностью рабочей частоты, уровнем побочных и шумового излучений к передатчику предъявляется требова­ние допустимого уровня внеполосного излучения.

Спектр частот излучения передатчика на присвоенной (рабочей) час­тоте, образовавшийся в процессе модуляции (манипуляции), состоит из основного и внеполосного излучений.

Рис. 6.9. Шаблон требований к уровню подавления

внеполосных излучений передатчика

Основное излучение содержит полезную информацию и занимает так называемую необходимую ширину полосы, т. е. полосу частот, достаточ­ную для данного класса излучения (вида модуляции, назначения), для обеспечения передачи сообщений с необходимыми скоростью и качест­вом при определенных условиях [81].

Внеполосным называется излучение передатчика на частотах, непо­средственно примыкающих к необходимой ширине полосы частот и являющихся результатом процесса модуляции. (Регламент радиосвязи, ГОСТ «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения».) Внеполосное излучение не требуется для работы данного передатчика и создает помехи для систем связи, рабо­тающих на частотах, непосредственно примыкающих к необходимой полосе частот данного передатчика.

Внеполосные излучения возникают при модуляции передатчика из­лишне широким спектром, за счет высших гармоник модулирующего сигнала, возникающих как при усилении модулирующего сигнала, так и в процессе модуляции, перемодуляции и т.д.

Внеполосные излучения возникают также при квантовании переда­ваемого сигнала, например, в усилителях класса D (см. § 6.8).

В радиовещании с AM при номинальном диапазоне модулирующих частот 50... 10 000 Гц достаточная степень подавления внеполосных из­лучений обеспечивается:

• ограничением спектра звуковых частот на выходе модуляционного устройства (на выходе МУЗЧ) специальными ограничителями верхних частот, иначе говоря, фильтрами нижних частот;

• небольшим допустимым уровнем нелинейных искажений передатчи­ка, т. е. высокой линейностью модуляции и модуляционного устройства (см. § 6.2 и 6.3).

В ГОСТ допустимый уровень внеполосных излучений устанавлива­ется указанием минимально необходимого подавления уровня излуче­ния на краях определенной полосы частот (рис. 6.9):

• подавление внеполосного излучения на 40 дБ по сравнению с мощ­ностью несущей на границах полосы 27 кГц, т. е. при отклонении от несущей частоты на ±13,5 кГц;

• подавление на 45 дБ на границах полосы шириной 28 кГц (± 14 кГц);

• подавление на 50 дБ для полосы 38 кГц;

• подавление на 60 дБ для полосы 66 кГц.

• В ламповых и транзисторных ГВВ возможны следующие способы получения AM:

• на входной электрод (сетку, базу) с помощью изменения напряжений смещения (E_c, E_б) или возбуждения (U_c, U_б);

• на выходной электрод (анод, коллектор) изменением питающего на­пряжения (Е_а, Е_к);

• комбинированные способы.

Литература: В. В. Шахгильдян, “Радиопередающие устройства”, Издательство «Радио и связь», Москва, 2003.

8