Работу схемы можно пояснить следующим образом. Если на вход подается высокочастотный сигнал постоянной амплитуды , то транзисторный каскад работает как резонансный усилитель с максимальным коэффициентом усиления на частоте. Если на вход подать низкочастотный сигнал достаточно большой амплитуды, то начинает сказываться нелинейность усиления транзистора, так что амплитуда высокочастотного колебания на выходе модулятора изменяется в соответствии с формулой (4.20). Можно сказать, что данный модулятор усиливает несущую, а модулирующий сигнал, смещая рабочую точку транзистора, меняет коэффициент усиления. Одновременно колебательный контур LC выполняет также функцию полосового фильтра (4.23). Разумеется, полоса пропускания резонансного усилителя должна быть достаточной для прохождения всего спектра модулирующего сигнала.

Принцип работы модулятора поясняется диаграммой, показанной на рис 4.10. Считается что, проходная характеристика транзистора аппроксимирована полиномом второй степени.

4.7.2 Получение сигнала с балансной модуляцией

Схему амплитудного модулятора можно видоизменить таким образом, что на выходе устройства будет получен сигнал с подавлением несущих колебаний. Такой модулятор называется балансным. Структурная схема балансного модулятора приведена на рис.4.13. Гармоническое колебание несущей частотыподается

одновременно на нижние входы двух одинаковых амплитудных модуляторов АМ₁и АМ₂. Модулирующий сигналпоступает на верхний вход АМ₂и через инвертор И₁на верхний вход АМ₁. На выходах модуляторов будут получены следующие сигналы:

(4.24)

где – максимальная амплитуда выходного сигнала.

Инвертор И₂изменяет знак сигналана противоположный, так, что выходной сигнал имеет вид:

, (4.25)

и представляет собой удвоенное произведение модулирующего и несущего колебаний. Спектральное представление сигналов, проходящих по верхнему и нижнему каналам модулятора, а также результирующий сигнал показаны на рис.4.14. Если после балансного модулятора поставить либо пьезоэлектрический фильтр с крутыми фронтами, либо использовать метод известный как «фазировка», то можно подавить одну боковую полосу спектра.

4.7.3 Угловая модуляция

При частотной и фазовой модуляции полезный сигнал передается при помощи изменения соответственно частоты и фазы несущего колебания при постоянной амплитуде. Некоторая сложность в



Рис.4.14 Спектральное представление сигналов в каналах балансного модулятора

Рис.4.13 Фазовращатели первого порядка

понимании этих видов модуляции заключается в том, что изменение во времени частоты приводит к изменению закона нарастания фазы и наоборот, поскольку частота и фаза несущего колебания связаны соотношением .

Пусть несущее колебание записывается в виде . При фазовой модуляции (ФМ) полнаяфазарадиосигнала связана с модулирующим сигналом s(t) зависимостью

где – частота несущей при отсутствии модулирующего сигнала.

ФМ-колебание запишется в виде

При частотной модуляции (ЧМ) частотанесущей определяется выражением:

.

Поскольку полная фаза связана с мгновенной частотой соотношением

ЧМ-колебание можно записать в виде:

.

Вообще ЧМ и ФМ-колебания, которые часто объединяются общим термином угловая модуляция, с точностью до постоянной фазы описываются одним выражением

Колебание можно рассматривать как сигнал, модулированный по фазе сигналомили модулированный по частоте сигналом.

Для однотонального ЧМ-сигнала полная фаза имеет вид

где – девиация частоты. Величинаназываетсяиндексом однотональной угловой модуляции и представляет собой девиацию фазы.

Таким образом, однотональный ЧМ-сигнал можно записать в виде

Аналитическая формула записи для ФМ аналогична, отличие же состоит в интерпретации индекса m. В случае ЧМдевиация пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала и не зависит от его частоты. В случае же ФМ сам индексmпропорционален амплитуде модулирующего сигнала, следовательно, девиациялинейно растет с частотойДругими словами, параметрами однотональной угловой модуляции являются m = const для ФМ,=const для ЧМ. В случае ЧМ индекс модуляции зависит от частоты модулирующего сигнала: m=/.

Спектральный анализ угловой модуляции требует более сложного математического аппарата, чем анализ АМ-сигналов. Наиболее простой способ получения ЧМ/ФМ включить в колебательный контур LC-генератора специальный диодварикап, емкость которого зависит от приложенного к нему напряжения. Модулирующий сигнал меняет это напряжение и, соответственно, частоту и фазу несущей.

4.8 Фазовращатели

В системах телекоммуникации часто используются фазовращатели. Существует много различных цепей сдвигающих фазу выходного сигнала относительно входного. Общее требование к фазовращателям – получение двух равных по амплитуде напряжений с относительным сдвигом 90⁰.

Это требование легко выполняется на фиксированной частоте, труднее его реализовать в диапазоне частот. На рис.4.13 показаны несколько высокочастотных схем простейших фазовращателей. В устройстве 4.13а, ток вторичной обмотки, протекая через последовательно включенные резистор и конденсатор, создают на них падения напряжения, на конденсаторе напряжение сдвинуто по фазе на 90⁰. Напряжения равны, когда емкостное сопротивлениеRc(Rc=1/2πfC) равно активномуR. Фазоврашатель должен работать на нагрузку, сопротивление которой намного превосходит выходное сопротивлениеR(Rн>>R), при этом вся мощность расходуется в сопротивлении фазовращателя.

Фазовращатель, содержащий резистор R, и конденсатор С можно выполнить на мостовой схеме (рис.4.13б). Устройство содержит двеRCцепочки с одинаковыми параметрами, одна из которых включена как дифференцирующая, другая – как интегрирующая. На частоте, когда емкостное сопротивление равноRcактивному, сдвиг фаз в одной цепочке составляет +45⁰, в другой -45⁰, а относительный фазовый сдвиг между выходными напряжениями равен 90⁰.

Другой вариант фазовращателя показан на рис.4.13в. Устройство позволяет учесть входное сопротивление нагрузки (например, смесителей) соответствующим увеличением сопротивления резисторов R, а в случаеR=R_нисключить их совсем. Следует заметить, что сопротивление смесителей зависит от уровня входного сигнала, поэтому в этом случае трудно обеспечить равенство входного сопротивления смесителя и активного сопротивления в фазовращателе.

Фазовращатель, создающий весь фазовый сдвиг в одном плече, показан на рис 4.13г.

Расчет пассивных компонентов простейших фазовращателей осуществляется по следующим соотношениям:

, (4.26)

где - центральная частота.

При отклонении рабочей частоты от расчетной, разбаланс выходного напряжения прямо пропорционален расстройке.

Подавление нежелательной боковой полосы, как правило, не менее 30 дБ.

Для ряда смесителей требуется фазовый сдвиг не 90⁰, а 45⁰. В этом случае можно использовать схемы, показанные на рис.4.13 в, г со следующими соотношениями для расчета элементов:

Для схемы 4.13в - (4.27)

Для схемы 4.13г - (4.28)

где - частота генератора равная половине частоты сигнала.

Значительно лучше равенство выходных напряжений в широком диапазоне частот поддерживают фазовращатели второго порядка, показанные на рис.4.14а. В отличие от простогоRCфазовращателя (рис.4.13а) в нем последовательно с конденсатором включена индуктивностьL, напряжение на которой отстает по фазе на 90⁰относительно тока. Таким образом, напряжение на индуктивности противоположно по фазе напряжению на емкости. Оно инвертируется второй половиной симметричной обмотки катушки и складывается с напряжением на емкости, образуя выходное напряжение со сдвигом фазы 90⁰относительно тока в цепи.

Напряжение на резисторе совпадает по фазе с током, оно образует второе выходное напряжение. При отклонениях частоты от номинального значения, это напряжение уменьшается (при увеличении частоты) напряжение на индуктивности повышается.

Расчет параметров элементов осуществляется по формулам (4.26), где под индуктивностью понимается половина индуктивности, а .

Недостатком данного фазовращателя является то, что для уменьшения потерь, он должен нагружаться на сопротивление много большее чем 2R.

Этот недостаток устранен в схеме на рис.4.14б. Фазовый сдвиг 90⁰обеспечивается образным мостовымLCзвеном, нагруженным на сопротивлениеR1=2R. В другом плече включен последовательныйLCконтур, служащий для компенсации изменений фазового сдвига при отклонениях частоты и сопротивления нагрузки.

Фазовый сдвиг 90⁰поддерживается фазовращателем во всем диапазоне частот. Номиналы элементов рассчитываются по соотношениям (4.26).

В активных фазовращателях можно скомпенсировать потери, вносимые RCзвеньями с помощью активных элементов: транзисторов или операционных усилителей (ОУ). Звено при этом получается однонаправленным и не может передавать сигнал с выхода на вход, как это могут, например,LCзвенья. Две схемы простейших фазовращательных звеньев на ОУ показаны на рис.4.15. Их работа отличается тем, что второе звено инвертирует сигнал на низких частотах. Модуль коэффициента передачи звеньев равен единице. Выходное сопротивление звеньев низкое, поэтому их можно каскадировать и соединять с балансными модуляторами без всяких промежуточных ступеней.