15

Лекция № 5 по курсу

“Теория электрической связи”

Амплитудные модуляторы

Модуляторы предназначены для управления одним или несколькими параметрами передаваемого колебания по закону передаваемого сообщения. Модулированное колебание имеет вид

Амплитудную модуляцию можно осуществлять как с помощью линейных, так и нелинейных преобразований. Простейшим амплитудным модулятором служит нелинейный усилитель, резонансный контур которого настроен на частоту несущего колебания.

Одна из возможных схем модуляторов и осциллограммы ее работы показаны на рисунке.

Процесс модуляции сопровождается изменением спектра модулируемого колебания и осуществляется с помощью нелинейных элементов (ламп, транзисторов). При модуляции напряжение смещения на базе изменяется в такт с модулирующим колебанием, при этом напряжение возбуждения ВЧ и коллекторное питание остаются постоянными. Режим работы усилителя выбирается нелинейным, поэтому при изменении напряжения смещения изменяется величина импульсов коллекторного тока, при этом амплитуда колебаний, выделяемых коллекторным контуром тоже будет изменяться, т.е. получаем амплитудно-модулированный сигнал.

При постоянном напряжении смещения и постоянной амплитудевозбуждающего колебания импульсы коллекторного тока имеют постоянную амплитуду и величина первой гармоники тока, также будет постоянной. Если подавать на вход транзистора только переменное напряжение НЧ управляющего сигнала, то вследствие того, что контур для колебаний НЧ имеет сопротивление близкое к нулю, в контуре колебания будут отсутствовать. При совместной подаче высокочастотного сигналаи переменного напряжения смещенияизменяется величина высокочастотных импульсов коллекторного тока, в связи с этим изменяется и амплитуда тока первой гармоники сигнала, выделяемой в коллекторном контуре. Таким образом и получают АМ колебание.

Лекция № 6 по курсу

“Теория электрической связи”

Детектирование

1. Амплитудное детектирование

На вход детектора поступает АМ сигнал, который в простейшем случае имеет вид . Задача детектора состоит в том, чтобы преобразовать АМ колебание в напряжение, изменяющееся по закону их огибающей, т.е. в данном случае в напряжение

Эта операция осуществляется цепью, состоящей из трех основных элементов: нелинейного элемента, фильтра и нагрузки.

Нелинейный элемент искажает форму колебаний и изменяет частотный спектр их таким образом, что в составе преобразованного колебания появляется компонента с частотой, соответствующей огибающей АМ колебаний. Этот компонент тока поступает в нагрузку (активное сопротивление) и создает на ней пропорциональное напряжение. Остальные (высокочастотные) компоненты тока отводятся от нагрузки через фильтр.

Рассмотренная блок-схема является общей для амплитудных детекторов всех типов. Хорошая работа любого детектора возможна лишь при правильном выборе режима нелинейного элемента и параметров нагрузки и фильтра. Сущность процесса детектирования наиболее просто проанализировать на примере коллекторного детектора.

Предположим, что амплитуда входного сигнала велика настолько, что, не боясь больших погрешностей в расчете, можно представить рабочий участок вольтамперной характеристики нелинейного элемента в виде кусочно линейного.

Воздействие АМ колебаний вызовет появление в коллекторной цепи импульсов тока, величина которых будет изменяться по закону огибающей, а угол отсечки для всех импульсов будет равен .

Рассмотрим с качественной стороны характер изменения напряжения на коллекторной нагрузке. Каждый импульс анодного тока осуществляет зарад конденсатора C с постоянной времени, где- среднее сопротивление нелинейного элемента. В паузах между импульсами анодного тока конденсатор разряжается через сопротивление R, с постоянной времени. Сопротивление R выбирается большим, так чтои изменение напряжения на нагрузке происходит по закону ломанной линии.

При соответствующем выборе постоянных времени иможно добиться того, чтобы среднее за период высокочастотных колебаний напряжение на нагрузке (обозначим сплошной линией) достаточно точно повторяя огибающую детектируемых колебаний. Однако постоянную временинельзя все же выбирать сколь угодно большой. При слишком большой величинеконденсатор за время паузы между импульсами будет терять слишком малый заряд, в результате чего напряжение на нем не будет поспевать за огибающей.

Напряжение на нагрузке детектора поступает не фильтр, сглаживающий ВЧ пульсации.

Для того, чтобы нагрузочная цепь выполняла роль частотного фильтра, требуется выполнение неравенств ; .

Эти условия означают, что конденсатор практически полностью шунтирует сопротивление R для токов радиочастот (несущей) и не оказывает влияние на протекание в коллекторной цепи токов частот модуляции.

Выходное напряжение детектора

.

Знак вызван тем, что конденсатор не может быть идеальным фильтром для ВЧ составляющих, вследствии чего они вызывают некоторые пульсации напряжения.

Амплитуды сигналов на входе и на выходе связаны прямой пропорциональностью .

Поэтому такой режим работы детектора называют линейным, т.е. детектирование происходит без искажений. Однако на практике это не всегда выполнимо. Наиболее важной причиной искажений при детектировании оказывается уклонение характеристики нелинейного элемента на рабочем участке от принятой нами ломанной линии. Замена истинной характеристики на кусочно-линейную более или менее допустима при больших амплитудах детектируемого напряжения и невозможна при малых амплитудах.

ВАХ нелинейного элемента при малых значениях амплитуды входного сигнала должна быть аппроксимирована степенной зависимостью вида

.

Подставляя в это выражение, выражение для входного сигнала, среди всех комбинационных колебаний выберем лишь низкочастотные составляющие

.

Выходной сигнал

.

Составляющая коллекторного тока практически не отфильтровывается конденсатором нагрузки и искажает результат детектирования. Относительная величина амплитуды тока удвоенной частоты модуляции представляет собой коэффициент нелинейных искажений.

Полезный эффект детектирования пропорционален величине , поэтому детектирование АМ сигналов с малыми амплитудами называетсяквадратичным.

Рассмотрим процесс детектирования с идеальным диодом.

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде выражается равенством

.

Пусть к идеальному диоду подведены два напряжения

При амплитуде входного напряжения, большей постоянного напряжения, запирающего диод, т.е. при , через диод проходит ток, имеющий вид последовательности косинусоидальных импульсов с углом отсечки.

.

Угол отсечки можно найти из соотношения , где- коэффициент детектирования.

Т.к. ; ;;.

Когда входной сигнал диодного детектора снимается с колебательного контура, детектор шунтирует этот контур.

Шунтирующее действие детектора характеризуется его входным сопротивлением. Под входным сопротивлением детектора понимается отношение амплитуды напряжения, приложенного к детектору, к амплитуде первой гармоники тока через детектор

; ;.

Схема с параллельным включением диода с точки зрения ее работы мало отличается от схемы с последовательным включением.

Различие заключается лишь в том, что в параллельной схеме выходное напряжение снимается не с конденсатора C, как это делается в последовательной схеме, а с резистора и диода. .

Детектор можно рассматривать как нелинейный четырехполюсник. Нелинейный четырехполюсник может быть описан семейством характеристик выпрямления .

Коэффициент передачи детектора по постоянному току равен отношению постоянного напряжения на выходе к амплитуде переменного напряжения на его входе.

Для уменьшения влияния нелинейности характеристики диода на детектор подают напряжение большой амплитуды и используют большие сопротивления нагрузки.

Возникающие нелинейные искажения можно уменьшить, применяя следующие схемы детекторов.