Диодные преобразователи частоты

На рис. 6.2представлены разновидности диодных преобразователей - однотактный (а), балансный (двухтактный) (б) и кольцевой балансный (в). Такие преобразователи работают в режиме больших амплитуд сигнала несущей частоты, т. е. в режиме аппроксимации ВАХ диодов кусочно-линейными функциями.

Рис. 6.2. Диодные преобразователи частоты.

Кольцевой балансный преобразователь (рис.6.2 в) получил наибольшее распространение благодаря своей простоте, большому динамическому диапазону и широкой полосе пропускания. Рассмотрим его работу.

Напряжение несущей частоты подается на средние выводы обмоток согласующих трансформаторови. При отсутствии модулирующего сигналатоки несущей частоты, протекающие через первичные обмотки трансформатора, будут равны по величине и противоположны по направлению и ЭДС, наводимая ими в выходной обмотке трансформатора, будет равна нулю.

При наличии напряжения модулирующего сигнала его ток будет протекать через открытые несущим сигналом диоды и(при этомизакрыты) или через диодыи(при этом закрытыи), т.е. направление тока модулирующего сигнала будет изменяться с частотой несущего колебания. Амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна величине модулирующего сигнала, а фаза выходного сигнала относительно несущей определяется направлением модулирующего тока. Очевидно, что амплитуда несущего сигнала должна быть значительно больше амплитуды модулирующего.

Аналогичным образом работают и две другие схемы. Заметим, что в схеме на рис.6.2 апри отсутствии модулирующего сигнала выходной сигнал будет отличен от нуля.

Модуляторы и демодуляторы

Амплитудные модуляторы и демодуляторы

Часто для передачи сигнала используют гармоническое колебание высокой частоты - несущее колебание. Изменение одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения передаваемого сигнала (т. е. в наделении несущего колебания признаками передаваемого сигнала) называетсямодуляцией.

Восстановление на приеме исходного сигнала из модулированного колебания называется детектированием(илидемодуляцией).

Запишем несущий сигнал в виде

. (6.2)

Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров - амплитуды ,частотыили фазы .

Изменение во времени амплитуды колебания пропорционально сигналу , т.е.(—коэффициент пропорциональности), называется амплитудной модуляцией. Модулированное колебание обозначим.

Пусть передаваемый сигнал также является гармоническим колебанием (но с более низкой частотой ). Тогда модулированное колебание примет вид:

, (6.3)

где - глубина амплитудной модуляции. Обычно.

Производя в выражении (6.3)перемножение, получим:

(6.4)

Таким образом, спектр частот амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных относительно несущей (рис. 6.3 6).Амплитуды колебаний боковых частот одинаковые. Спектр сигнала до модуляции (несущего колебания) приведен на рис. 6.3а.

Рис. 6.3. Спектр амплитудно-модулированного сигнала.

Если модулирующий сигнал сложный и спектр его ограничен частотами и(см. рис. 6.3в), то спектр АМ - колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (см. рис. 6.3г).

Анализ соотношения (6.4) показывает, что основная мощность АМ - сигнала заключена в колебании несущей частоты, которое не содержит полезной информации, а нижняя и верхняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.

Существенный выигрыш по мощности обеспечивается при применении балансной и однополосной модуляций. При балансной модуляции передаются только боковые полосы частот, а при однополосной модуляции—только одна боковая полоса частот.

Для практического получения АМ-колебаний можно использовать преобразователи частоты, рассмотренные в предыдущем разделе. Подавление несущего колебания происходит в модуляторах, выполненных по балансной (рис. 6.2 б)и кольцевой (рис. 6.2в) схемам. Выделение двух боковых полос в случае балансной модуляции и одной боковой полосы при однополосной модуляции производится фильтрами, включаемыми на выходах модуляторов.

Рассмотрим процесс детектирования АМ - сигналов. Операция детектирования прямо противоположна модуляции. Детектор АМ - сигнала должен из принятого модулированного колебания выделить исходный низкочастотный сигнал.

Используем для целей детектирования однокаскадный транзисторный усилитель с нагрузкой в виде параллельной RC-цепи (рис. 6.4а). В зависимости от режима работы он может являться квадратичным детектором (работа при малых амплитудах на участке вольт-амперной характеристики, описываемой полиномом второй степени) или линейным детектором (режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией).

Рис. 6.4. Детекторы амплитудно-модулированного сигнала.

При квадратичном детектировании вольт-амперная характеристика транзистора описывается полиномом второй степени.На вход нелинейного элемента (транзистора) подается постоянное напряжение смещенияи АМ - колебание, т.е.Воспользовавшись формой записи АМ - колебания(6.4)получаем, что на нелинейный элемент с квадратичной ВАХ воздействует сумма трех синусоидальных колебаний. Анализ спектрального состава тока в цепи с нелинейным элементом, проведенный выше,показывает, что в спектре тока будут в данном случае присутствовать составляющие с комбинационными частотами

.

Низкочастотные спектральные составляющие определяются наборами чисел и. Другие комбинации чиселр,qиsопределяют высокочастотные составляющие.

Величины низкочастотных составляющих тока можно найти путем несложных преобразований:

. (6.5)

Чтобы подавить высокочастотные составляющие тока и выделить низкочастотные в схеме рис. 6.4адолжны выполняться условия и , где- сопротивление нагрузки. Таким образом, для сигнала с частотойнагрузка коллектора практически активна и равнаR. Для сигнала несущей частоты модуль сопротивления нагрузки, а значит, и коэффициент передачи усилителя на несущей частотепренебрежимо малы. В результате падение напряжения на резисторе Rпредставляет собой результат детектированияAM-колебания. Наличие в(6.5)слагаемого, пропорционального, свидетельствует о том, что квадратичное детектирование сопровождается искажениями передаваемого сигнала. Коэффициент нелинейных искажений при этом.

При линейном детектировании последовательность импульсов коллекторного тока оказывается промодулированной по амплитуде. Амплитуды спектральных составляющих определяются через коэффициенты Берга.Если на вход нелинейного элемента поступает немодулированное колебание, то в спектре тока будет постоянная составляющая с амплитудой, пропорциональной амплитуде входного напряжения, и высокочастотные гармоники частоты. Высокочастотные составляющие отфильтровываютсяRC-цепью; падение напряжения на резистореRсоздает только постоянная составляющая тока.

В модулированном колебании амплитуда медленно меняется по закону , следовательно, амплитуда выделяемой на резисторе Rпостоянной составляющей тока также будет медленно меняться во времени:

.

Напряжение смещения обычно выбирают равным напряжению отсечки, так что угол отсечкии амплитуда токане зависит от амплитуды входного сигнала. Выходное напряжение схемы рис. 6.7 апропорционально исходному (модулирующему) сигналу. При линейном детектировании отсутствуют искажения передаваемого сигнала.

Наряду с транзисторной схемой (см. рис. 6.4а) для детектирования АМ- сигнала широко применяется диодная схема (см. рис. 6.4б), работающая либо в квадратичном, либо в линейном режиме. Принцип работы этой схемы не отличается от работы транзисторной схемы.

Детектирование сигналов с балансной и однополосной модуляцией выполняется с помощью балансной и кольцевой схем. При этом несущее колебание, подаваемое на балансную и кольцевую схемы, должно быть восстановлено в приемнике.