4.6 Спектры радиоимпульсов

Если видеоимпульс заполнить токами высокой частоты, то получим радиоимпульс (рисунок 4.46).

Рисунок 4.46– Форма радиоимпульсов

Независимо от вида импульсной модуляции поднесущей и при амплитудной модуляции несущей для нахождения спектра необходимо:

– в спектре импульсно-модулированного сигнала уменьшить вдвое амплитуды всех гармонических составляющих, за исключением постоянной составляющей;

– построить зеркальное отображение полученного спектра в области отрицательных частот;

– полученный спектр сдвинуть по оси частот вправо на величину несущей.

При ФМ и ЧМ модулирующих несущей правило построения спектров будут те же, за исключением того, что амплитуды гармонических составляющих будут определяться индексами частотной и фазовой модуляции (см. раздел 2).

Полоса частот для радиоимпульсов в два раза шире полосы частот видеоимпульсов.

В качестве примера построим спектр АИМ-АМ-сигнала (рисунок 4.47).

Рисунок 4.47 – Процесс построения спектра для радиоимпульсов

5 Модуляторы и демодуляторы

5.1 Амплитудные модуляторы

Процесс модуляции сопровождается изменением спектра несущего колебания, а поэтому модуляционное устройство должно содержать либо нелинейные элементы, либо линейные, но с изменяющимися при модуляции параметрами.

Найдём передаточную функцию K(jω, t) амплитудного модулятора

, (5.1)

где U_АМ(t) – сигнал на выходе амплитудного модулятора;

U_Н(t) – несущее колебание.

Таким образом, передаточная функция не зависит от частоты ω₁ и соответствует усилителю, у которого коэффициент усиления меняется пропорционально величине . Это изменение может быть осуществлено различными способами в зависимости от вида активного элемента, используемого в модулируемом усилителе.

Рассмотрим схему амплитудного модулятора построенного на полевых транзисторах. Ток стока полевого транзистора является функцией напряжений на затворе и стоке, т.е.

(5.2)

Следовательно, модуляцию можно осуществить изменением напряжения на любом из электродов.

5.1.1 Затворная модуляция. Принципиальная схема затворного модулятора с изменением напряжения приведена на рисунке 5.1.

Модулирующее напряжение U_(t) вводится в цепь затвора последовательно с источником постоянного смещения Е_СМ. Амплитуда высокочастотного напряжения U_H(t), поступающего от источника стабильного ВЧ-возбудителя, в процессе модуляции остается неизменной. Емкость С1 является блокировочной и обладает малым сопротивлением для тока несущей частоты ω₁ и большим –для тока частоты модулирующего сигнала .

Так как частота  значительно меньше частоты ω₁, можно считать, что напряжение смещения составлено из постоянного напряжения источника смещения Е_СМ и медленно меняющегося напряжения низкой частоты, т.е.

U_З=E_СМ+U_cost. (5.3)

Рисунок 5.1 – Схема затворного модулятора

Временные диаграммы, поясняющие работу затворного модулятора, приведены на рисунке 5.2.

Ток стока полевого транзистора, кроме полезной составляющей (первой гармоники), амплитуда которой меняется по закону модулирующего сообщения, содержит постоянную и медленно меняющуюся составляющие, а также высшие гармоники.

Рисунок 5.2 – Временные диаграммы при затворной модуляции

Для того чтобы исключить вредные продукты преобразования, в качестве нагрузки полевого транзистора используется резонансный контур с высокой добротностью. На контуре создает заметное напряжение только первая гармоника тока стока. Поэтому огибающая напряжения на контуре, а следовательно, и выходное напряжение изменяются по закону модулирующего сигнала.

Полевой транзистор при таком режиме использования представляет собой по отношению к высокочастотному напряжению U_Н(t) линейное устройство с переменным параметром – крутизной S(t), управляемой модулирующим напряжением. По отношению к низкочастотному напряжению полевой транзистор является нелинейным устройством.

Проведем анализ работы затворного модулятора. К входу полевого транзистора приложено напряжение

U_З=E_СМ+U_cost+Ucosω₁t . (5.4)

Аппроксимируем сток-затворную характеристику полевого транзистора полиномом второй степени, а именно:

. (5.5)

Подставляя значения U_з в выражение для i_с (5.5) находим

Определим напряжение на выходе затворного модулятора. Контур настроен на частоту ω₁ и представляет для колебаний этой частоты сопротивление R_k. Тогда

Введя обозначения

; , (5.6)

получим

, (5.7)

где m – коэффициент амплитудной модуляции.

Таким образом, как следует из выражения (5.7), выходной сигнал является амплитудно-модулированным, а анализ выражения (5.6) показывает, что при работе на линейном участке вольт-амперной характеристики (а₂ = 0) осуществить амплитудную модуляцию невозможно.

5.1.2 Стоковая модуляция. Для получения АМ-сигнала при стоковой модуляции используется зависимость тока стока полевого транзистора от напряжения стока U_c. Принципиальная схема стокового модулятора приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Схема стокового модулятора

Принцип работы сводится к следующему: к стоку полевого транзистора приложено напряжение

, (5.8)

изменяющееся около значения E_c с частотой модулирующего сигнала; в результате этого изменяется амплитудное значение импульсов тока, за счет чего реализуется АМ. Типовая модуляционная характеристика при стоковой модуляции показана на рисунке 5.4. По ней можно выбрать начальное напряжение на стоке Е_с и максимальную амплитуду модулирующего напряжения U_.

Максимальный коэффициент модуляции определится как

m=I_c /I_c . (5.9)

Следует отметить, что для получения большей крутизны статической модуляционной характеристики нужно использовать, по возможности, триодный участок выходной характеристики транзистора, где крутизна велика. Сравнение схем затворного и стокового модуляторов позволяет сделать следующий вывод: преимуществом стокового модулятора является то, что источники модулирующего сигнала и носителя не связаны друг с другом; стоковому модулятору свойственно большее значение коэффициента амплитудной модуляции и больший коэффициент полезного действия; при затворной модуляции от источника модулирующего сигнала потребляется меньшая мощность.

Рисунок 5.4 – Модуляционная характеристика при стоковой модуляции

В качестве усилительного элемента можно использовать и биполярные транзисторы, но при этом модулирующее напряжение необходимо подавать на базу или коллектор транзистора. Принцип работы базового модулятора аналогичен принципу работы затворного модулятора, а коллекторного – стокового модулятора.