Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№18

Передатчик с частотной модуляцией

В диапазонах метровых и дециметровых волн в схемах вещательных и связных передатчиков применяется частотная модуляция. В простейших пе­редатчиках (рис. 8.2), работающих с одним-двумя информационными кана­лами, частотная модуляция осуществляется путем воздействия передаваемым сигналом u_вх (он предварительно усиливается в УНЧ) на частоту колебаний ЧМ-генератора (ЧМ). При этом неизменная частота несущего колебания ω₀ формируется возбудителем.

Частотно-модулированные колебания с ЧМ-генератора поступают на усилительно-умножительную цепочку (УЧ-УМ), где частота и мощность коле­баний многократно увеличиваются. Высокая стабильность несущей частоты поддерживается специальными методами, в частности, с помощью систем автоматической подстройки частоты.

В многочастотных широкодиапазонных передатчиках в качестве возбуди­теля используют синтезатор частот, а частотная модуляция сигнала выпол­няется в модуляторе ЧМ-сигналов. Данные радиотехнические устройства обеспечивают создание сетки (группы) частот для многоканального пере­датчика.

Рис. 8.2. Структурная схема передатчика с частотной модуляцией

В современных высококачественных широкодиапазонных передатчиках (это относится и к приемникам) требование высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки являются несовместимыми. Поэтому при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирование сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фик­сированным интервалом, называемым шагом дискретной сетки.

Рис. 8.3. Структурная схема аналогового синтезатора частоты

Одна из структурных схем простейших аналоговых синтезаторов частоты показана на рис. 8.3. Синтезатор частоты содержит опорный кварцевый гене­ратор (ОКГ), управляемый делитель частоты (УДЧ), управляемый генератор (УГ), фазовый детектор (ФД) с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и программируемое цифровое устройство (ПЦУ).

На фазовый детектор поступают два колебания: первое со стабильной частотой f_ОП — от опорного кварцевого генератора; второе с частотой f/N ≈ f_ОП через управляемый делитель частоты с коэффициентом деления N — от управляемого генератора. Напряжение с выхода фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляемый генератор и под­страивает его до обеспечения равенства частот f/N и f_ОП. Изменяя с помощью ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным f_ОП. Поскольку выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора формулой f = Nf_ОП, то относитель­ные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе пере­датчика требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым генератором и фазовым детектором необходимо дополнительно ввести делитель частоты (ДЧ).

Рассмотренный простейший вариант синтезатора частоты имеет ряд не­достатков. Первый из них связан с конечностью ширины полосы синхрони­зации управляемого генератора, которая зависит от управляющих элементов генератора и коэффициентов передачи ФД и ФНЧ. Поэтому для получения широкой сетки частот приходится изменять собственную частоту f управляе­мого генератора. Второй недостаток обусловлен узкими возможностями УДЧ, построенного, как правило, на основе счетчика импульсов. Введением обрат­ной связи в таком делителе частоты можно изменять его коэффициент деле­ния, который будет принимать любые целочисленные значения, допустимые разрядностью счетчика.

В современных передатчиках часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дробного преобразования частоты используется в новейших разработках цифровых синтезаторов, реа­лизуемых по следующей базовой схеме (рис. 8.4). В таком синтезаторе коэф­фициент деления программно-управляемого делителя частоты (ПУДЧ) изменяется во времени, образуя последовательность временных циклов определен­ной длительности. Полученный цикл также делят на несколько подциклов, в течение каждого из которых коэффициент деления постоянен. Изменение же коэффициента деления производится в момент перехода от одного подцикла к другому таким образом, чтобы средний за время цикла коэффициент деления был равен заданному.

Рис. 8.4. Структурная схема цифрового синтезатора частоты

В схеме цифрового синтезатора частоты используются цифровой фазовый детектор (ЦФД), ЦАП и микропроцессор (МП). Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого используют управляемый генера­тор, напряжение подстройки частоты на который подается с ЦАП. Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается цифровым фазовым де­тектором и соответствует значению средней за время цикла разности фаз коле­баний, получаемых от опорного кварцевого генератора и управляемого генера­тора. Затем сигнал управления с фазового детектора подается на микропроцес­сор, который через ЦАП по заданному коду требуемой частоты осуществляет программное управление схемой ПУДЧ.

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

8.5. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ

ПЕРЕДАТЧИКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Передатчики низовой радиосвязи входят в состав радиостанций различных систем радиосвязи. Эти радиостанции могут быть стацио­нарными (центральные, диспетчерские станции), возимыми (устанав­ливаемые на подвижных объектах), носимыми, портативными. Основные параметры передатчиков определяются действующими стандартами [89]:

Выходная мощность, Вт	0,1..50
Диапазоны частот, МГц	27...27,4;
	30.. .50;
	117... 174;
	230...335;
	890...960;
	340...430;
	440...470
Относительная нестабильность частоты	(5...30)·10−6
Максимальная девиация частоты, кГц	5
Разнос частот каналов, кГц	25
Ширина полосы излучаемых частот, кГц, на уровне −40 дБ	20
Полоса передаваемых частот.Гц	300...3400
Допустимые нелинейные искажения,%	7...15
Допустимый уровень паразитной ЧМ, дБ, не более	−30

ГОСТ предусматривает обязательную предкоррекцию амплитудно-частотной модуляционной характеристики (частотные предыскаже­ния), т. е. увеличение коэффициента передачи цепи на верхних модулирующих частотах (подъем верхних частот) 6 дБ на октаву с точностью ±2 дБ, так что передатчик излучает по существу фазомодулированный сигнал, и если в приемнике используется более простое частотное детектирование, то принятый НЧ сигнал подвергают обрат­ной частотной коррекции (с завалом верхних частот).

Физические характеристики речевого сигнала, не подвергнутого обработке и предыскажениям, таковы, что его энергетический спектр S(F) описывается эмпирическим соотношением S(F) ≈ k/F² (см. рис. 6.1), и если пиковый уровень мощности в полосе 800...1000 Гц принять за 1, то эффективный уровень составит 0,1.. .0,15 (т. е. по напряжению 0,3U_пик). Для повышения помехоустойчивости передачи речи в спектре телефонного сиг­нала перед модулятором передатчика обеспечивают подъем верхних частот (как отмеча­лось выше), до 6 дБ на октаву, а возможно и до 9...10 дБ на октаву. Кроме того, для повышения помехозащищенности линии радиотелефонной связи модулирующий сигнал подвергают амплитудному ограничению или применяют компрессию (сжатие) его дина­мического диапазона, что обеспечивает эквивалентный выигрыш по мощности передат­чика ЧМ еще в 2...3 раза [41]. Для уменьшения внеполосных излучений передатчика спектр модулирующего сигнала ограничивают, для чего перед НЧ входом модулятора устанав­ливаются ФНЧ с полосой пропускания приблизительно до 3,5 кГц.

На рис. 8.25 представлены структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией. Первая схема (рис. 8.25,а) использует пря­мую частотную модуляцию варикапом в кварцевом автогенераторе. Модулирующий сигнал U_Ω усиливается в УНЧ и подвергается частот­ной предкоррекции, затем производится ограничение его амплитуд (или сжатие динамического диапазона) в ограничителе. Фильтр нижних час­тот ограничивает спектр модулирующего сигнала приблизительно до 3,5 кГц. В кварцевом автогенераторе осуществляется прямая частотная модуляция, затем производится умножение частоты для увеличения глубины модуляции и повышения частоты до рабочего диапазона системы радиосвязи. Полосовой фильтр ослабляет нежелательные спект­ральные составляющие (в том числе и субгармоники), возникающие при умножении частоты. Усилитель мощности РЧ обеспечивает необходи­мый уровень выходной мощности передатчика, ФНЧ — ослабление излучения высших гармоник до допустимого уровня (около − 40...60 дБ) [89] и согласование с антенной. Частотный модулятор может быть вы­полнен по схеме рис. 8.17.

Рис. 8. 25. Структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией:

а — с непосредственной 4Mb кварцевом автогенераторе; б — с использованием

фазового модулятора; в— с автоматической подстройкой средней частоты на

основе синтезатора частот

Структурная схема передатчика, использующего косвенный метод получения ЧМ, изображена на рис. 8.25,5, где в фазовом модуляторе осуществляется модуляция фазы несущего колебания, спектр модулиру­ющего сигнала перед входом модулятора может подвергаться дополни­тельной коррекции в интеграторе. Частота задающего генератора стабилизируется кварцевым резонатором, а буферный усилитель умень­шает влияние последующих цепей на частоту автогенератора.

Абонентские радиостанции обычно используют небольшое число частот (1...5), при этом в задающем генераторе передатчика наиболее рационально реализовать принцип «кварц — волна» (рис. гл. 4) и ком­мутировать необходимые кварцевые резонаторы. В этом случае в схеме рис. 8.25,я необходимо принять меры по обеспечению постоянства де­виации частоты при смене кварцев, так как последние имеют значитель­ный разброс параметров. При увеличении числа рабочих частот, например, на центральной станции, ведущей связь со многими коррес­пондентами на разных частотах, возбудитель передатчика выполняется по принципам построения синтезаторов сетки частот (см. гл. 4).

Современные радиостанции низовой связи все чаще строятся много­частотными. Так, широко распространенные радиостанции индивиду­ального пользования диапазона 26,965...27,405 МГц имеют 40 каналов в европейском стандарте частот и могут дополнительно иметь еще 40 каналов российского стандарта. Предусмотрены два вида модуляции УМ и AM. Примерная структурная схема передатчика подобной стан­ции показана на рис. 8.25,в.

Частотная модуляция производится в подстраиваемом генераторе (ПГ); это обычный LC-транзисторный автогенератор с варикапом для ЧМ и автоподстройки частоты (или с двумя варикапами отдельно для ЧМ и для АПЧ) в микросхемном исполнении. Средняя частота ПГ устанавливается в соответствии с заданным каналом и поддерживается в пределах допустимой нестабильности при помощи системы ФАПЧ и синтезатора частот по опорному кварцевому АГ также в микросхемном исполнении.

Передатчики для радиовещания на MB и звукового сопровождения телевидения должны обеспечивать высокое качество звукового вещания и иметь возможность передачи стереовещания или двухъязыкового сопровождения телевидения. Основные параметры этих передатчиков оп­ределяются ГОСТ [82, 83, 86]:

Диапазоны частот, МГц	66...73,
	100...108
	или соответству­ют каналу ТВ ве­щания
Выходная мощность, кВт	0,1; 0,2; 0,5;
	1; 2; 4; 5; 15
Относительная нестабильность частоты	(1...5)10−6
Максимальная девиация частоты, кГц	±50
Полоса передаваемых частот, кГц:
одного канала	0,04...15
в режиме стерео	0,04...47
Допустимые нелинейные искажения, %	1
Неравномерность АЧХ, дБ, не более	±1
Уровень шума, дБ, не более	−60

В передатчиках мощностью 4...5 и 15 кВт обычно для повышения надежности используют принцип построения со сложением мощностей двух полукомплектов (см. рис. 6.8,в, 9.3, 9.4), возбудители (а иногда и тракты предварительного усиления), обеспечиваются 100%-ным резе­рвированием. Выходные ступени этих передатчиков выполняются на электронных лампах, а возбудители и тракт предварительного усиления мощности — на полупроводниках. Передатчики мощностью 1 кВт и менее выполняются полностью на полупроводниках, при этом для по­вышения надежности и унификации отдельных блоков широко приме­няется блочно-модульный принцип (см. § 11.5).

Обеспечение высоких качественных показателей представляет се­рьезную проблему, которая решается в основном в возбудителе. До недавнего времени в возбудителях передатчиков MB ЧМ вещания и звукового сопровождения телевидения широко применялся косвенный метод получения ЧМ с использованием фазовых модуляторов [19].

Возбудитель современной УКВ вещательной станции «Мед» ЗПУКВ-15 [9] выполнен по схеме, приведенной на рис. 8.26,а. Задаю­щий генератор обеспечивает высокостабильные колебания с частотой 80...90 кГц, которые модулируются по фазе в модуляторе, где использу­ется импульсно-фазовая модуляция, обеспечивающая девиацию фазы Δφ ≈ 140...150°. Затем частота умножается в 9 раз. Сигналом второго канала в модуляторе (М) производится амплитудная модуляция колеба­ний поднесущей частоты 31,25 кГц, принятой в стереофонии, при этом образуется спектр надтональных частот 16,25...46,25 кГц. Этим сигна­лом производится вторичная фазовая модуляция в фазовом модуляторе, где девиация фазы не превышает 10°, так как модулирующий сигнал высокочастотный. Интегрирующие цепи обеспечивают преобразова­ния ФМ в ЧМ. Далее частота еще раз умножается в 9 раз и достигает рабочего диапазона 66...73 МГц. Модулирующие сигналы каналов подвергаются частотной предкоррекции цепью с постоянной времени 50 мкс.

В последнее время в возбудителях вещательных передатчиков приме­няется прямая ЧМ в LC-автогенераторе, осуществляемая обычно вари­капами или иногда реактивным транзистором [9]. При этом высокая стабильность средней частоты обеспечивается системой АПЧ по опор­ному кварцевому генератору и легче достигаются необходимая девиа­ция частоты и малые нелинейные искажения, кроме того, отпадает необходимость в многократном умножении частоты. Схемы ЧМ авто­генераторов разнообразны. Примером может быть схема рис. 8.21. Для получения второго канала модуляции в автогенераторе вводится вто­рой варикап с отдельными цепями подачи смещения и управляющего напряжения. При этом широко применяются меры повышения качества частотной модуляции, рассмотренные ранее (см. § 8.4).

Рис. 8.26. Структурные схемы возбудителей для передатчиков

с возможностью стереофонического вещания

Примером такого перспективного построения возбудителя ЧМ ве­щания может служить схема, приведенная на рис. 8.26,б [19], используе­мая в ряде отечественных передатчиков и для модернизации ранее установленных. Модулируемый по частоте (подстраиваемый) генера­тор (ПГ) создает непосредственно рабочую частоту. Заданное значение средней частоты и ее допустимая нестабильность обеспечиваются сис­темой АПЧ с ДПКД по термостабилизированному опорному генерато­ру (ОГ) (см. гл. 4). При включении возбудителя, смене частоты или случайном сбое частоты первоначально определяющую роль играет кольцо частотной подстройки, обеспечивающее приближение генери­руемого колебания к заданному значению и приводящее к началу дей­ствия фазовой автоподстройки. После срабатывания системы ФАПЧ достигается заданная частота, на выходе частотного детектора (ЧД) устанавливаемся нулевое напряжение, которое служит критерием го­товности возбудителя к работе и посредством устройства контроля подключает возбудитель к передатчику. Полоса удержания ФАПЧ 10...15 Гц. Модуляция осуществляется либо звуковой частотой (34), либо комплексным стереосигналом (КСС). Все элементы возбудите­ля — в микросхемном исполнении; опорный генератор — покупное комплектующее изделие [72].

При передаче стереофонического радиовещания УКВ ЧМ передатчик модулируется по частоте комплексным стереосигналом, который образуется из низкочастотных сигна­лов, создаваемых двумя отдельными разнесенными в пространстве микрофонами: левым (канал А) к правым (канал В) в специальном устройстве — полярном модуляторе (ПМ). В ПМ (рис.8.27,а) сигналы А и В модулируют по амплитуде гармоническое колебание поднесущей частоты f_п = 31,25 кГц. Полученные AM колебания (рис. 8.28,а) подвергаются предельному ограничению по амплитуде ограничителями отрицательной полярности (AO₁) и положительной (AО₂), в результате получаются сигналы показанные нарис 8.28,б. Подобный же результат можно было бы получить, просуммировав сигналы u₁ + u₃ и u₂ + u₄. Сумма всех этих сигналов представляет собой полярно-модулированное колебание (ПМК), т. е. сложное AM колебание, в котором огибающая положительных амплитуд изменяется в соответствии с сигналом А, а отрицательных — с сигналом В (рис. 8.28,а); спектр ПМК изображен на рис. 8.28,г. Недостатком такого формирования ПМК является значительный уровень продуктов высших гармоник полезных спектральных составляю­щих, вызываемых нелинейными процессами в амплитудных ограничителях.

Рис. 8.27. Структурные схемы полярных модуляторов для стереофонического вещания :

а — прямой метод; б — метод с использованием суммарно-разностных сигналов М и S

Рис. 8.28. Временные диаграммы напряжений в полярных модуляторах

по схеме рис. 8.27 (а — в) и спектр комплексного стереосигнала (г)

Применение на выходе ПМ ФНЧ с частотой среза выше 46 кГц в принципе возможно, но приводит к дополнительным фазовым сдвигам в верхней части полезного спектра, а это снижает качество восприятия сигналов стереофонии. В последнее время все большее распространение получает другой вариант ПМ (рис. 8.27,a), в котором с помощью линей­ной дифсистемы (ДС) из сигналов А и В образуются суммарный М = А + В и разностный S = А − В сигналы. Поднесущее колебание f_п = 31,25 кГц подвергается амплитудной модуляции с максимальной глубиной m = 80 % разностным сигналом S, так что

.

Это колебание складывается с суммарным сигналом М и образуется полный стерео­сигнал:

,

спектр которого соответствует рис. 8.28,г (где не отражена противофазность спектраль­ных составляющих m_вU_п).

Модуляция частоты передатчика осуществляется сигналом КСС, который отличается от рассмотренного выше ПМК тем, что спектр сигнала S подвергнут дополнительной частотой коррекции (подъем амплитуд верхних частот в интервале 0,03... 15 кГц) по закону K(F) = (1 + j6,4F)/(5 + j6,4F) и амплитуда поднесущей в спектре стереосигнала уменьшена в 5 раз. При этом максимальная девиация частоты передатчика сигналом КСС составляет ±50 кГц, а девиация частоты, вызываемая частично подавленной поднесущей не превыша­ет 10 кГц; положительным напряжениям КСС соответствует увеличение частоты излуче­ния. Система стереовещания совместима, т. е. ее сигналы принимаются обычным приемником MB ЧМ вещания как монофонический сигнал М = А + В. Заметим, что сигналы А и В до поступления в ПМ подвергаются в MB ЧМ вещании частотной предкоррекции цепью с постоянной времени 50 мкс [82, 83].

Кроме рассмотренной системы стереофонического вещания с полярной модуляцией, принятой в нашей стране [84], существуют и другие [10]. Эстетическое впечатление при приеме стереовещания существенно лучше по сравнению с монофоническим, поэтому стереовещание все шире внедряется в практику. Обсуждается введение стереовещания в диапазон 0,5...1,6 МГц (средние волны).

На радиопередатчиках местного ЧМ вещания на метровых волнах и AM на длинных и средних волнах часто осуществляется дополнительная модуляция вне диапазона зву­ковых частот для передачи сигналов персонального вызова и текстовой информации (пейджер).

Станции ЧМ вещания обычно обеспечивают две — четыре програм­мы высококачественного вещания и включают в себя соответствующее число передатчиков (иногда разной мощности). Диапазон цветов MB ЧМ вещания относительно неширокий (менее 10%), поэтому экономи­чески целесообразно использо­вать для всех программ одну общую антенно-фидерную систе­му. Проблема заключается в том, что следует сложить сигналы не­скольких передатчиков, работаю­щих на разных, но не сильно отличающихся частотах, и при этом обеспечить минимальные по­тери мощности и предотвратить их взаимное влияние, которое может привести к перекрестной модуляции и ухудшению качества вещания. Эта задача решается с помощью разделительных фильт­ров, которые состоят из квадра­турных мостов на связанных ли­ниях (см. гл. 3), соединенных коак­сиальными фидерами. В фидеры включены полосовые фильтры, образуемые коаксиальными резо­наторами 1—12 (рис. 8.29).

Фильтры 1—12 настроены на рабочую частоту своего передатчика, имеют полосу пропускания 0,3...0,35 МГц и обладают хорошей избира­тельностью. Сигналы от передатчика первой программы разделяются мостом М₁ и по двум трактам проходят через резонаторы 1—4, настро­енные на частоту f₁, складываются мостом М₂ на выходе 4 и поступают на вход 1 моста М₄. С выходов 2 и 3 последнего сигналы поступают к резонаторам 5—8, настроенным на частоту f₂ второй программы, отра­жаются от них и складываются на выходе 4 моста М₄. Некоторая доля мощности сигналов первой программы, прошедшая через резонаторы 5—8, поглощается балластным сопротивлением R_б2. Аналогичным об­разом сигналы первой и второй программ проходят фильтр третьей программы и т. д.

Рис. 8.29. Разделительный фильтр трехпрограммной

MB ЧМ веща­тельной станции

Разделительный фильтр оказывается довольно громоздким устрой­ством в составе многопрограммной УКВ вещательной станции. Систе­ма РФ обеспечивает ослабление сигналов двух передатчиков на выходе третьего не менее 45 дБ при разносе частот каналов вещания не менее 1,5 МГц, а при разносе более 1,8 МГц — соответственно ослабление не менее 50 дБ, что вполне приемлемо. Потери мощности в системе РФ не более 10 %. Более просто можно было бы решать подобную задачу, используя для развязки невзаимные устройства типа циркуляторов, од­нако на диапазон 66...73 МГц и уровни мощности единицы — десятки киловатт циркуляторы пока не разработаны.

Особенности УМ в радиорелейных и спутниковых системах связи рассмотрены в § 8.7 и гл. 10.

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

9