8.4. Методы получения чм- и фм-сигналов

Существуют прямые и косвенные методы получения ЧМ- и ФМ-колебаний. При прямых методах модулирующий сигнал непосредственно воздействует на используемый для данной модуля­ции параметр высокочастотного колебания: частоту со (рис. 8.8, а) или фазу ф (рис. 8.8. б) колебания.

Рис. 8.8. Схемы прямого (о—г) и косвенного (д, ё) методов получения частотной и фазовой модуляций

В первом случае частотный модулятор представляет собой автоге­нератор, в контур которого включен реактивный элемент, управляе­мый модулирующим сигналом (рис. 8.8, в). Прямая фазовая модуля­ция обычно осуществляется в цепи, через которую проходит высокочастотное колебание, и сдвиг фазы выходного колебания этой цепи изменяется под действием сигнала модуляции (рис. 8.8, г).

При косвенных методах нужный вид угловой модуляции получа­ется из другой модуляции путем соответствующего преобразования сигнала. Так как частота и фаза гармонического колебания взаимо­связаны (ω = dφ /dt), ЧМ-колебание можно получить, осуществляя модуляцию по фазе, но при этом необходимо устранить зависимость девиации частоты Асо от частоты модуляции Ω, присущую ФМ [см. (8.3) и (8.4)]. Это нетрудно выполнить, пропустив модулирующий сигнал через цепь с коэффициентом передачи, пропорциональным 1/Ω (рис. 8.8, д). Девиация фазы на выходе такого устройства ∆φ = S_φ U_Ω / Ω этом девиация частоты ∆ω = S_φ U_Ω будет зависеть Только от амплитуды U_Ω, что характерно для ЧМ. Аналогично ФМ-колебание можно получить косвенным путем с помощью часто­тного модулятора и корректирующей цепи на его выходе с коэффици­ентом передачи, пропорциональным Ω. (рис. 8.8, ё). В качестве кор­ректирующих цепей можно использовать интегрирующую RС-цепь (рис. 8.8, д) или дифференцирующую RС-цепь (рис. 8.8, ё).

Определить вид угловой модуляции можно довольно просто: подать на вход модулятора сигнал U_Ω cosΩt, а к выходу подключить измеритель девиации частоты. Если девиация частоты зависит только от U_Ω и не зависит от частоты, то имеет место частотная модуляция. Если же ∆ω оказывается пропорциональной как U_Ω, так и частоте Ω, то модуляция фазовая.

Для осуществления ЧМ разработано много приборов и устройств, обладающих реактивной проводимостью, управляемой напряже­нием или током: полупроводниковый диод с обратно смещенным р—n-переход (варикап), управители на ферритах, реактивные лампы и транзисторы, вариконды, ключевые диоды и др. Выбор определен­ного вида управителя зависит от требований, предъявляемых к управляемому до частоте генератору: максимальной девиации час­тоты, допустимого уровня нелинейных искажений, допустимой пара­зитной амплитудной модуляции, стабильности средней частоты и др. Рассмотрим наиболее распространенные виды УЧ.

В настоящее время в качестве УЧ наиболее широко применяют варикапы. Варикап — это полупроводниковый диод, емкость запер­того р—n перехода которого зависит от приложенного к нему напря­жения. Простота схемы, малые габаритные размеры, ничтожная мощность источника управляющего напряжения — основные досто­инства этого вида УЧ.

Эквивалентная схема полупроводникового диода с р—n перехо­дом (рис. 8.9) состоит из сопротивления базы r и параллельно соеди­ненных емкостей С_бар (барьерной емкости запертого перехода), С_д (диффузионной емкости открытого перехода) и нелинейного сопро­тивления R_n р—n перехода с вольт-амперной характеристикой i(u_n).

В режиме открытого перехода (и_п > 0) это сопротивление мало и сильно шунтирует емкость перехода, которая в основном определя­ется С_д. Это затрудняет использование варикапа для управления час­тотой при и_п > 0. В режиме запертого р—n-перехода и_п < 0, обратный

Рис. 8.9. Эквивалентная схема р—и-перехода полупроводникового диода

ток диода i очень мал, сопротивление R_n велико и слабо влияет на характеристики варикапа. В данном случае емкость варикапа практи­чески равна барьерной емкости: С_в = С_бар, зависимость которой от напряжения на переходе и_п определяется формулой

(8.11)

Здесь Е — произвольное напряжение начального смещения;

φ_к ≈ 0,7 В — контактная разность потенциалов (для кремниевых варикапов); С_в0 — емкость варикапа при и_п = Е; γ = 2.. .0,3 — показа­тель, зависящий от закона распределения концентрации примесей в р—n переходе.

Параметр γ для широко распространенных варикапов с «резким» переходом равен 0,5, а для варикапов со «сверхрезкими» переходами может достигать значений в диапазоне 1—2. Максимально допусти­мое обратное (пробивное) напряжение U_обр._mах лежит обычно в пре­делах от 10 до 90 В.

При изменении и_п в режиме запертого р—n перехода одновре­менно с С_в меняется добротность варикапа Q_B. Пренебрегая сопро­тивлением обратносмещенного р—n перехода R_n по сравнению с сопротивлением барьерной емкости С_бар = С_в, определяем доброт­ность варикапа как отношение его реактивного сопротивления к сопротивлению потерь:

Q_B = (8.12)

Добротность варикапа падает с уменьшением запирающего напряже­ния и увеличением частоты. Температурный коэффициент емкости

(ТКЕ) обычно положителен и имеет значение порядка 10^-4... 10^-6 К^-1.

Основные недостатки управителя на варикапе — большой уровень нелинейных искажений и ПАМ, связанная с изменением добротности варикапа и его коэффициента включения в процессе модуляции.

В качестве УЧ можно также использовать вариконды — конденса­торы с сегнетоэлектриком, проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля. Управители на варикондах по сравнению с варикапами имеют более линейную модуляционную характеристику, слабее реагируют на изменения температуры. Их недостаток — необходимость большой амплитуды управляющего напряжения и возрастание диэлектрических потерь с увеличением частоты АГ.

В УЧ на ферритах используют зависимость магнитной проницае­мости феррита от постоянного подмагничивающего поля. Такой УЧ представляет собой катушку индуктивности L с ферритовым сердечни­ком, входящую в контур АГ (рис. 8.10). Магнитное поле создается катушкой подмагничивания, изменение тока в которой Ai_y меняет отно­сительную магнитную проницаемость ферритового сердечника p_r, а следовательно, и индуктивность контура автогенератора L_K = Z_K(μ_r).

В диапазоне СВЧ используются УЧ на ферритах из железоиттрие-вого граната (ЖИГ). Они дают хорошую линейность модуляционной характеристики, широкий диапазон перестройки по частоте и имеют малый температурный коэффициент частоты. Колебательная система СВЧ состоит из системы двух связанных контуров. Ферритовый кон­тур из ЖИГ изготовляется в форме сферического СВЧ-резонатора, связанного с контуром АГ. Собственная частота ЖИГ-контура зави­сит от тока подмагничивания и влияет на частоту связи системы кон­туров, на которой возбуждаются колебания АГ.

К недостаткам ферритовых УЧ следует отнести большие мощ­ности, потребляемые от источника управляющего сигнала, и замет­ную инерционность цепи управления.

Фазовую модуляцию наиболее просто осуществить, пропустив несущее колебание частоты ω₀ через резонансную систему, частоту настройки которой ш_к можно изменять, например, меняя смещение на варикапе, входящем в состав контура. Для одиночного контура ФЧХ φ = arctg[(ω₀/ω_K - ω_к/ω₀)Q], где Q — добротность контура. В пределах полосы пропускания, определяемой по уровню - 3 дБ, фаза изменяется от -45 до 45°, а коэффициент передачи от 1 до 0,707, т. е. при расстройке контура вместе с изменением фазы изменяется и амплитуда, что вызывает ПАМ.

Рис. 8.10. Эквивалентная схема контура с ферритовым управителем частоты

Рис. 8.11. Схема модулятора фазы на трех перестраиваемых контурах

Если варикап с емкостью С_в0 подключен к контуру, имеющему емкость С_к с коэффициентом включения р, и под воздействием моду­лирующего напряжения U_Ω обеспечивает изменение емкости на АС,

то изменение фазы φ = arctg(pQ∆С/С_к) = arctg[b(1 + х_т)^γ - 1)], где

b = PQC_B/С_к; х_т = U_Ω / (φ_кон + Е₀) — нормированная амплитуда;

φ_кон — контактная разность потенциалов полупроводника; γ — пока­затель нелинейности варикапа. Одноконтурный модулятор фазы обес­печивает девиацию фазы 20.. .30° при нелинейных искажениях К_н.и = 5...7% для b = 6. Нелинейные искажения можно частично ском­пенсировать, применив начальную расстройку контура относительно несущей частоты со₀.

Девиацию фазы можно увеличить, включив кас-кадно несколько фазовых модуляторов или применив многоконтур­ные схемы. На рис. 8.11 представлена схема фазового модулятора, выполненного в виде трехзвенного полосового фильтра, составлен­ного из одинаковых контуров, которые перестраиваются с помощью варикапов. При соответствующей настройке модулятор может обес­печить девиацию фазы до ±40° на каждое звено фильтра при нели­нейных искажениях, не превышающих 2 %, и практически отсут­ствующей амплитудной модуляции.