27 Структурные и принципиальные схемы генераторов с импульсной модуляцией.

В общем виде передатчик с импульсной АМ содержит возбудитель, умножитель частоты, усилитель мощности и модулятор, который обычно совмещен с УМ.

На рис. приведена схема генератора телеграфных сигналов для передатчика с фор­мированием однополосного сигнала на частоте 500 кГц. Плавное нарастание и спад телеграфного сигнала здесь достигаются зарядом и разрядом конденсатора С5.

Крутизна фронтов телеграф­ной посылки определяется емкостью этого кон­денсатора и сопротивлением резистора R5.

28 Основные методы, структурные и принципиальные схемы осуществления фазовой и частотной модуляции.

Частотная и фазовая модуляция (ЧМ и ФМ) широко применяется в передатчиках, так как при определенных условиях она обеспечивает повышенную помехоустойчивость радиолинии по сравнению с АМ. Кроме того, этот вид модуляции позволяет обеспечить передачу и прием сигнала с высокими качественными показателями.

Частотную и фазовую модуляцию всегда рассматривают совместно: всякое дополнительное изменение фазы высокочастотных колебаний связано с изменением мгновенной частоты

и, наоборот, всякое изменение частоты приводит к дополнительному изменению фазы высокочастотного колебания

Следовательно, один вид модуляции всегда сопутствует другому и как частотную, так и фазовую модуляции объединяют одним понятием - угловая модуляция (УМ). Однако это не означает, что ЧМ и ФМ это одно и тоже.

При ЧМ изменение частоты пропорционально модулирующему напряжению, а изменение фазы, как видно из выражения при этом будет следовать иному закону

При ФМ изменение фазы пропорционально модулирующему напряжению и, как вытекает из выражения , закон изменения частоты будет иным.

Рассмотрим простейший пример, когда осуществляется частотная модуляция, а модулирующее напряжение представляет собой гармоническое колебание

u_  U_cost

и девиация частоты

kU_ .

Мгновенное значение частоты при этом равно

  _срcost,

где _ср - средняя частота радиочастотного колебания.

Уравнение ЧМ колебаний запишется в виде

Найдем закон изменения фазы этого колебания

Выражение (12) показывает, что одновременно с частотной модуляцией осуществляется и фазовая, но отклонение (девиация) фазы  от начального значения _о оказывается обратно пропорциональным частоте модулирующего напряжения, т.е. сопутствующая фазовая модуляция осуществляется с частотными искажениями передаваемого сигнала

Теперь рассмотрим, какой характер будут иметь изменения частоты, сопутствующие фазовой модуляции.

При ФМ девиация фазы равна

kU_

и уравнение ФМ колебаний имеет вид

u_ФМ = Ucos(_срt + cost  _o).

Мгновенная частота колебаний равна

Из соотношения (16) ясно, что фазовой модуляции сопутствует частотная. При этом девиация частоты оказывается пропорциональной модулирующему напряжению и частоте модуляции

kU_ .

Сопоставляя выражения для  и  видим, что при гармоническом характере модулирующего напряжения между изменениями фазы и частоты ЧМ и ФМ колебаний существует взаимная зависимость

где m называют индексом угловой модуляции.

Таким образом

для ФМ m = kU_Ω = Δψ;

для ЧМ m = kU_Ω/ Ω = Δ ω/Ω.

В общем случае уравнение ЧМ и ФМ колебаний записывается в виде гармонической функции мгновенной полной фазы

u = U cos (t).

Можно записать это выражение для ЧМ колебаний в виде

u = Ucos(_срt + m sint + _o),

что совпадает с выражением для ФМ колебаний.

Поэтому при гармоническом модулирующем напряжении различие между ЧМ и ФМ и в осциллограммах, и в спектрах колебаний установить сложно. Различие между ними заметно, только в том случае, если модулирующий сигнал является более сложным, чем синусоида с соответствующим спектром частот.

Как известно, при модуляции одним тоном спектры ФМ и ЧМ колебаний линейчатые, содержат составляющую частоты _ср и бесконечное множество составляющих боковых частот (_ср ± n), n = 1,2,3,... .

Относительные амплитуды составляющих спектра пропорциональны функциям Бесселя первого порядка Jp(m) порядка p от аргумента m:

u(t)/U = cos(_срt + m sin t) = J₀(m) cos(_срt) .

Спектры сигналов при m = 1 и m = 8 представлены на рис. в качестве примера.

Теоретически спектр ЧМ и ФМ колебания является бесконечно широким. Однако функция Бесселя I_n(m), начиная с некоторого номера n  m, быстро убывает с ростом n, что видно из рис. Это позволяет ограничить полезный (реальный) спектр таких сигналов определенным количеством боковых частот. При m << 1 достаточно учитывать только одну пару боковых частот и ЧМ колебания практически представляются тремя слагаемыми: несущим колебанием и двумя боковыми, как при амплитудной модуляции

u = U[I_o(m)cos_срt + I₁(m)cos(_ср+ )t - I₁(m)cos(_ср - )t] .

В этом случае говорят об узкополосной угловой модуляции. Практический спектр при этом определяется максимальной частотой F_max модулирующего напряжения

f_c  2 F_max .

Узкополосную модуляцию применяют в телефонной радиосвязи.

При широкополосной модуляции, когда m  3 ширина спектра приближённо выражается соотношением

f_c  2 F_max(m + + 1) .

Широкополосная модуляция находит применение при высококачественном радиовещании и для звукового сопровождения телевизионных передач и т.п.

Определим среднюю мощность Р_ум радиосигнала с угловой модуляцией. Средняя мощность Р, которая рассеивается немодулированным колебанием в нагрузке R,, равна

Средняя мощность Р_n n-ой боковой составляющей колебания

Средняя мощность радиосигнала есть сумма всех гармонических составляющих

.

Для функций Бесселя справедливо равенство:

Поэтому

Таким образом, в результате угловой модуляции при любом значении m происходит перераспределение мощности между несущей и всеми боковыми составляющими, суммарная же мощность равна мощности немодулированного колебания. Следовательно, передатчик, излучающий ЧМ (ФМ) колебания, работает в режиме постоянной мощности (это и понятно, ведь амплитуда сигнала не меняется).

Неизменность амплитуды ЧМ и ФМ колебаний дает ряд преимуществ системам связи и вещания, работающим сигналами с угловой модуляцией.

Во-первых, появляется возможность использования амплитудных ограничителей в приемном устройстве, позволяющих повысить помехозащищенность радиолинии.

Во-вторых, неизменность амплитуды благоприятно сказывается на энергетике радиопередающего устройства, так как все каскады радиочастотного тракта могут работать постоянно в наиболее выгодном энергетическом режиме (граничном, перенапряженном или ключевом).

В-третьих, отпадает необходимость в обеспечении высокой линейности амплитудных характеристик радиочастотных трактов как передающего, так и приемного устройств. Однако сохраняются жесткие требования к линейности частотных характеристик. Амплитудно-частотная характеристика должна быть равномерной, а фазочастотная - линейной в полосе частот, занимаемой спектром ЧМ и ФМ колебания.

Степень устойчивости систем с угловой модуляцией к действию помех прямо пропорциональна величине индекса модуляции m. Исследования показывают, что выигрыш в соотношении сигнал-помеха при угловой модуляции по сравнению с АМ для гладкого шума составляет 1,73m, а для импульсной помехи 2m. Вместе с тем, увеличение индекса модуляции m приводит к необходимости расширения полосы пропускания радиочастотных каскадов передатчика и приемника. Это обстоятельство заставляет использовать угловую модуляцию на частотах f не менее 30 МГц.

Узкополосная угловая модуляция, имеющая индекс модуляции m < 1, по своей спектральным характеристикам и помехоустойчивости практически не отличается от АМ.